maanantai 18.5.
1. Lue
Voimalla on suunta ja suuruus
Raketti kohoaa kohti avaruutta, koska sen rakettimoottoreista purkautuu kaasua. Yritä selittää parillesi, miten raketin laukaisu perustuu voimaan ja vastavoimaan.
.jpg)
Lähde: Pixabay (CC0)Mihin raketin laukaiseminen perustuu?
Kahden kappaleen vuorovaikutuksessa syntyy aina kaksi yhtä suurta voimaa. Ne ovat voima ja sen vastavoima. Kun avaruusraketti laukaistaan kohti avaruutta, purkautuu rakettimoottoreista kaasua suurella nopeudella. Palamiskaasujen ja raketin vuorovaikutuksessa syntyy vastakkaiset voimat: raketti työntää palamiskaasuja taaksepäin ja palamiskaasut työntävät rakettia eteenpäin. Raketin laukaiseminen perustuu siis voimaan ja sen vastavoimaan.
Suure: voima, tunnus F
Yksikkö: newton, lyhenne N
Gravitaatiovuorovaikutuksesta aiheutuvia voimia
Gravitaatiovuorovaikutus aiheuttaa painovoiman. Painovoiman vaikutuksesta maapallo vetää puoleensa kaikkia pinnallaan olevia kappaleita: avaruusrakettia, ihmisiä ja ilmassa leijailevia happimolekyylejä.
Painovoima on luonteeltaan vetovoima. Sen suuruus riippuu kappaleiden massoista sekä niiden välisistä etäisyyksistä. Kappaleeseen vaikuttavan painovoiman suunta on kohti maapallon keskipistettä. Voima on sitä suurempi, mitä suurempi massa kappaleella on. Voimalla on siis sekä suunta että suuruus.
Kappaleisiin kohdistuvia voimia kuvataan voimanuolilla. Nuolen pituus kuvaa voiman suuruutta ja nuolen suunta voiman vaikutussuuntaa. Voimanuolen alku- tai loppupiste on kohdassa, johon voiman vaikutus kohdistuu. Esimerkiksi kiinteällä kappaleella painovoimaa kuvaava nuoli piirretään alkavaksi kappaleen massakeskipisteestä. Massakeskipiste on kohta, johon koko kappaleen massan voidaan ajatella olevan keskittynyt.
Pinnan tukivoima on kohtisuorassa pintaa vastaan
Jos kappale on vaakasuoralla pinnalla, vaikuttaa siihen painovoiman lisäksi pinnan tukivoima. Se on painovoiman suuruinen mutta vastakkaissuuntainen.
Riippuu tukipinnan kestävyydestä, miten suureksi pinnan tukivoima voi kasvaa. Kun pinnalle asetetaan liian suuri massa, pinta rikkoutuu eikä tukivoima enää pidä kappaletta paikoillaan. Näin saattaa tapahtua esimerkiksi heikoilla jäillä liikkuessa. Voima voi siis muuttaa myös kappaleen muotoa.
Suure: pinnan tukivoima, tunnus N
Yksikkö: newton, lyhenne N
Maapallon pinnalla tutkittaviin kappaleisiin kohdistuu lähes aina myös kitkavoimia ja ilmanvastusvoimia. Millaisissa tilanteissa kappaleisiin kohdistuu kitkavoimia? Entä ilmanvastusvoimia?
Voimien yhteisvaikutus
Maapallon pinnalla oleviin kappaleisiin vaikuttaa yleensä useita voimia samanaikaisesti. Jos kappale liikkuu, siihen vaikuttaa kappaleen liikkeelle vastakkaissuuntainen ilmanvastus. Ilmanvastus aiheutuu ilman hiukkasten törmäilystä kappaletta vasten.
Kun kaksi kappaletta liikkuu tai pyrkii liikkumaan niin, että niiden pinnat hankaavat toisiaan, liikettä vastustaa kitkavoima.
Kitkaa kutsutaan lepokitkaksi silloin, kun kappale on vielä paikallaan. Mitä suuremmalla voimalla kappaletta työnnetään, sitä suuremmaksi lepokitka kasvaa. Kappale lähtee liikkeelle, kun ylitetään lepokitkan suurin mahdollinen arvo. Lepokitkan suurinta mahdollista arvoa kutsutaan lepokitkan maksimiarvoksi.
Liikkuvaan kappaleeseen vaikuttavaa kitkaa kutsutaan liukukitkaksi. Sen suuruus on aina lepokitkan maksimiarvoa pienempi. Kappaleen liikkeelle saamiseksi tarvitaan siis suurempi voima kuin kappaleen liikkeen ylläpitämisessä.
Kappaleen liiketilaa kuvattaessa merkittävää on voimien yhteisvaikutuksesta muodostuva kokonaisvoima. Jos kappaleeseen kohdistuvat voimat kumoavat toisensa, pysyy kappale paikoillaan tai jatkaa tasaista, suoraviivaista liikettä. Jos voimat eivät kumoa toisiaan, on kappale muuttuvassa liikkeessä.
| Kokonaisvoima on nolla, koska voimat kumoavat toisensa | Kokonaisvoiman suunta on alaspäin | Kokonaisvoiman suunta on oikealle yläviistoon |
|---|---|---|
 |
 |
 |
Väkipyörä muuttaa voiman suuntaa
Nostamiseen tarvittava voima voidaan puolittaa, mikäli taakka kiinnitetään liikkuvaan väkipyörään. Tällöin köyden toinen pää on kiinnitetty kattoon.
Kattoon kiinnitetyllä kiinteällä väkipyörällä voidaan muuttaa taakan nostamiseen tarvittavan voiman suuntaa. Tämä helpottaa työntekoa silloin, kun tarvitsee nostaa painavaa esinettä. On helpompaa vetää alaspäin köyttä, jossa esine on kiinni, kuin nostaa esinettä maasta ylöspäin. Tarvittavan voiman suuruuteen kiinteä väkipyörä ei kuitenkaan vaikuta.
Muista nämä:
- Painovoima on voima, jonka Maa kohdistaa lähellään oleviin kappaleisiin.
- Pinnan tukivoiman suunta on kohtisuorassa pintaa vastaan.
- Kappaleeseen vaikuttaa usein monta voimaa, jolloin niiden yhteisvaikutusta kutsutaan kokonaisvoimaksi.
- Väkipyörillä voidaan muuttaa taakan nostamiseen tarvittavan voiman suuntaa tai suuruutta.