محاسبه نیروی اصطکاک با استفاده از قوانین نیوتن

سلام! سوال خوبی پرسیدی. این یک مسئله فیزیک از فصل قوانین نیوتن و کار و انرژی است. بیا با هم حلش کنیم.

راهنمایی کوتاه: از رابطه کار کل و تغییر انرژی جنبشی استفاده می‌کنیم.

گام‌به‌گام:

• ۱) داده‌های مسئله را مشخص می‌کنیم:
  نیروی محرک (F) = 60 نیوتن
  جرم جسم (m) = 4 کیلوگرم
  مسافت طی شده (d) = 20 متر
  سرعت نهایی (v) = 10 متر بر ثانیه
  سرعت اولیه = 0 (از حال سکون)
  نیروی اصطکاک (f) = ؟ (همان چیزی که می‌خواهیم پیدا کنیم)
• ۲) کار کل انجام شده روی جسم برابر است با مجموع کار نیروی محرک و کار نیروی اصطکاک:
  $W_{\mathrm{total}}=F\times d+(-f\times d)$
  علامت منفی برای کار اصطکاک چون در خلاف جهت حرکت است.
• ۳) از طرف دیگر، کار کل برابر است با تغییر انرژی جنبشی جسم:
  $W_{\mathrm{total}}=\frac{1}{2}m{v}^2-\frac{1}{2}m{v}_0^2$
  با توجه به سرعت اولیه صفر، انرژی جنبشی اولیه صفر است.
• ۴) حالا دو رابطه را با هم برابر می‌گذاریم:
  $Fd-fd=\frac{1}{2}m{v}^2$
• ۵) اعداد را جایگزین می‌کنیم:
  $\left(60\right)\left(20\right)-f\left(20\right)=\frac{1}{2}\left(4\right)(10{)}^2$
  $1200-20f=200$
• ۶) معادله را حل می‌کنیم:
  $20f=1200-200=1000$
  $f=\frac{1000}{20}=50$

پاسخ نهایی: نیروی اصطکاک وارد بر جسم برابر با ۵۰ نیوتون است.

مثال مشابه: اگر نیروی ۸۰ نیوتن به جسمی ۵ کیلوگرمی وارد شود و پس از ۱۵ متر سرعتش به ۸ متر بر ثانیه برسد، نیروی اصطکاک چقدر است؟ (پاسخ: حدود ۵۳.۳ نیوتون)

اگر می‌خواهی بیشتر یاد بگیری: می‌توانی رابطه کار-انرژی را با قانون دوم نیوتن مقایسه کنی. در قانون دوم نیوتن، شتاب را از روی سرعت و مسافت پیدا می‌کردی، سپس نیروی خالص و در نهایت نیروی اصطکاک را محاسبه می‌کردی. هر دو روش به یک جواب می‌رسند!