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Bei Kreisbewegungsproblemen zerlegen Sie häufig eine Kraft in eine Radialkraft F_r, die zum Bewegungszentrum zeigt, und eine Tangentialkraft F_t, die senkrecht zu F_r und tangential zur Kreisbahn zeigt. Zwei Beispiele für diese Kräfte sind jene, die auf Objekte angewendet werden, die an einem Punkt festgehalten sind und sich bei vorhandener Reibung um eine Kurve bewegen.
Objekt an einem Punkt fixiert
Verwenden Sie die Tatsache, dass, wenn ein Objekt an einem Punkt fixiert ist und Sie eine Kraft F in einem Abstand R vom Stift in einem Winkel θ relativ zu einer Linie zur Mitte anwenden, F_r = R R cos (θ) und F_t = F Sin (θ).
Stellen Sie sich vor, ein Mechaniker drückt mit einer Kraft von 20 Newton auf das Ende eines Schlüssels. Von der Position aus, an der sie arbeitet, muss sie die Kraft in einem Winkel von 120 Grad relativ zum Schraubenschlüssel ausüben.
Berechnen Sie die Tangentialkraft. F_t = 20 ≤ sin (120) = 17,3 Newton.
Drehmoment
Verwenden Sie die Tatsache, dass beim Aufbringen einer Kraft in einem Abstand R von der Position, an der sich ein Objekt befindet, das Drehmoment gleich τ = R ∙ F_t ist. Möglicherweise wissen Sie aus Erfahrung, dass es umso einfacher ist, einen Hebel oder Schraubenschlüssel in Drehung zu versetzen, je weiter Sie von dem Stift entfernt sind. Wenn Sie in größerem Abstand vom Stift drücken, üben Sie ein größeres Drehmoment aus.
Stellen Sie sich vor, ein Mechaniker drückt auf das Ende eines 0,3 Meter langen Drehmomentschlüssels, um 9 Newtonmeter Drehmoment aufzubringen.
Berechnen Sie die Tangentialkraft. F_t = τ / R = 9 Newtonmeter / 0,3 Meter = 30 Newton.
Ungleichmäßige Kreisbewegung
Verwenden Sie die Tatsache, dass die einzige Kraft, die erforderlich ist, um ein Objekt mit konstanter Geschwindigkeit in Kreisbewegung zu halten, die Zentripetalkraft F_c ist, die zum Mittelpunkt des Kreises zeigt. Wenn sich jedoch die Geschwindigkeit des Objekts ändert, muss auch eine Kraft in der Bewegungsrichtung vorhanden sein, die tangential zum Pfad ist. Ein Beispiel hierfür ist die vom Motor eines Autos ausgeübte Kraft, die bei Kurvenfahrten zu einer Beschleunigung führt, oder die Reibungskraft, die es zum Stillstand bringt.
Stellen Sie sich vor, ein Fahrer nimmt den Fuß vom Gaspedal und lässt ein 2.500 Kilogramm schweres Auto ab einer Startgeschwindigkeit von 15 Metern pro Sekunde anhalten, während er es um eine Kreiskurve mit einem Radius von 25 Metern lenkt. Das Auto rollt 30 Meter im Leerlauf und braucht 45 Sekunden, um anzuhalten.
Berechnen Sie die Beschleunigung des Autos. Die Formel, die die Position x (t) zum Zeitpunkt t als Funktion der Anfangsposition x (0), der Anfangsgeschwindigkeit v (0) und der Beschleunigung a enthält, ist x (t) - x ( 0) = v (0) ≤ t + 1/2 ≤ a ≤ t ^ 2. Stecken Sie x (t) - x (0) = 30 Meter, v (0) = 15 Meter pro Sekunde und t = 45 Sekunden ein und berechnen Sie die Tangentialbeschleunigung: a_t = –0,637 Meter pro Sekunde im Quadrat.
Verwenden Sie Newtons zweites Gesetz F = m = a, um herauszufinden, dass die Reibung eine Tangentialkraft von F_t = m ∙ a_t = 2.500 × (–0.637) = –1.593 Newton angewendet haben muss.