6.4
ينطبق قانون نيوتن الثاني للحركة على الأجسام التي تتحرك بنفس التسارع. على سبيل المثال، عندما يقوم جرار الأمتعة بسحب عربات الأمتعة، تتحرك كل عربة بنفس ت…
الأجسام التي تتحرك بنفس التسارع تخضع لقانون نيوتن الثاني. ضع في اعتبارك سيارة تسحب سيارة أخرى متطابقة بحبل غير قابل للتمدد عديم الكتلة. يطبق الحبل قوة متساوية ومعاكسة على كلتا السيارتين. إذن ، لماذا يجب أن تتسارع السيارة؟
للإجابة على هذا السؤال ، يتم رسم مخطط الجسم الحر لكل منهما. نظرا لأن القوى الرأسية متوازنة ، يتم الحصول على القوة الصافية المؤثرة على كل منها باستخدام مكونات القوة الأفقية.
الآن ، باستخدام حقيقة أن كلتا السيارتين لهما نفس الكتلة والتسارع ، يتم مساواة المعادلات للحصول على القوة التي تسبب تسارع السيارات.
ضع في اعتبارك مثالا آخر لخيط عديم الكتلة وغير قابل للتمدد يعلق كتلتين غير متساويتين فوق بكرة عديمة الاحتكاك. عندما يتم تحرير النظام ، ترفع الكتلة الأثقل الأخف وزنا ، وكلاهما يتحرك بنفس التسارع.
باستخدام مخططات الجسم الحر وقانون نيوتن الثاني ، يمكن اشتقاق معادلة القوة الكلية على كل كتلة. عند طرح هذه المعادلات وإعادة ترتيبها ، يتم الحصول على قيمة تسارع الكتلة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why do two cars connected by a rope accelerate together?
When a car tows another identical car with a massless inextensible rope, both experience the same acceleration because the rope applies equal and opposite forces on each. Using free-body diagrams, the net horizontal force on each car equals its mass times acceleration. Since both cars have identical mass and acceleration, they move together as a system.
Q2: How do you find acceleration when unequal masses hang over a pulley?
Draw free-body diagrams for each mass and apply Newton's second law separately. The heavier mass pulls the lighter one upward while descending. Both masses move with the same acceleration despite their different weights. Subtract the force equations and rearrange to solve for the acceleration value.
Q3: What role does tension play in a string connecting two blocks?
Tension is the force transmitted through a massless string connecting two blocks. The tension remains constant throughout the string and acts horizontally on a block on a surface and vertically on a hanging block. Tension pulls each block in opposite directions, enabling them to move with the same acceleration.
Q4: Why do blocks on a horizontal surface and hanging blocks have equal acceleration?
When one block moves horizontally on a frictionless surface and another hangs vertically, connected by a string over a pulley, they travel equal distances in equal times. This constraint means both blocks must have the same acceleration magnitude. Newton's second law applied to each block confirms this kinematic relationship.
Q5: How do free-body diagrams help solve problems with same acceleration?
Free-body diagrams isolate each object and show all forces acting on it. For objects with the same acceleration, you write component equations for horizontal and vertical forces separately. Balanced forces in one direction simplify the analysis, allowing you to focus on net forces causing acceleration.
Q6: What happens to tension when two blocks of different masses hang vertically?
When unequal masses hang vertically over a frictionless pulley, the tension in the string is less than the weight of the heavier mass but greater than the weight of the lighter mass. The tension accelerates the lighter mass upward and reduces the net downward force on the heavier mass, allowing both to accelerate together.
Q7: Why are vertical and horizontal forces analyzed separately in these problems?
Forces perpendicular to each other do not affect one another. On a horizontal surface, vertical forces balance, so only horizontal components determine acceleration. For hanging blocks, only vertical forces matter. Separating components simplifies calculations and reveals which forces actually cause the observed acceleration.