Kényszererő súrlódásmentes lejtőn

14245

A testek mozgását gyakran olyan derékszögű koordinátarendszerben írjuk le, melynek egyik tengelye vízszintes, a másik függőleges. Ha most, a lejtőn lecsúszó test mozgását is így írnánk le, akkor folyamatosan változna mind a vízszintes helykoordinátája is, meg a függőleges is. Pedig egyenes vonalban haladva siklik le, tehát leírható lenne egyetlen tengely segítségével is a mozgása. Úgyhogy a koordinátarendszerünk tengelyet most inkább úgy fogjuk beállítani, hogy az egyik tengely a lejtő irányába álljon, a másik pedig a lejtőre merőlegesen.

Ha egy test lejtőn van, akkor biztosan hat rá a nehézségi erő, mely függőlegesen lefelé irányuló:

úgyhogy ezt fel kell bontanunk az új koordinátarendszerünk tengelyei szerint: 

Az \(mg_{\parallel}\) és \(mg_{\bot}\) összetevők az \(mg\) erővel általános esetben szinuszos-koszinuszos összefüggésben állnak, de nevezetes lejtési szögek (\(\30^\circ\), \(\45^\circ\), \(\60^\circ\)) esetén az arányaik kiszámíthatóak a Pithagorasz-tétellel, például \(\45^\circ\) esetén az arányokra ezt kapjuk:

Az \(mg_{\parallel}\) összetevő fogja gyorsítani a lejtő mentén a lecsúszó testet, a másik, \(mg_{\bot}\) összetevő miatt pedig a test "nekinyomódik" a lejtőnek.  A valóságban ez deformációt eredményez, ami miatt a test is és a lejtő is "benyomódik" kicsit, emiatt a lejtő és a lecsúszó test nyomóerőt fejtenek ki egymásra, mely a felületre merőleges. Ez a nyomóerő kényszererő, mivel mindig akkora, amekkora a geometriai jellegű kényszerfeltétel (azaz hogy a test ne hatoljon át a lejtő síkján) teljesüléséhez szükséges, ezért \(K\) betűvel is jelölhetjük.

A test a lecsúszás során csak lejtőirányban mozog, vagyis a lejtőre merőleges tengely mentén nem. Tehát a lejtőre merőleges tengely mentén nincs gyorsulása:

\[a_{\bot}=0\]

ami Newton II. törvénye alapján csak úgy lehetséges, ha a testre ható "lejtőre merőleges" erők kioltják egymást:

\[\Sigma F_{\bot}=0\]

Ez alapján mondhatjuk, hpgy a \(K\) kényszererő azonos nagyságú az \(mg_{\bot}\) összetevővel: