Введение
Сила, действующая на объект телом, с которым он находится в контакте, и наоборот. В механике нормальная сила — это составляющая силы контакта, перпендикулярная поверхности, с которой объект соприкасается, как показано на рисунке 1. В данном случае термин "нормальная" используется в геометрическом смысле и означает перпендикулярную, в отличие от обычного языкового значения "обычный" или "ожидаемый". На человека, стоящего неподвижно на платформе, действует сила тяжести, которая тянула бы его вниз к ядру Земли, если бы не было встречной силы, возникающей из сопротивления молекул платформы – силы, называемой "нормальной силой". Нормальная сила является одним из видов силы реакции опоры. Если человек стоит на склоне и не проваливается в землю или не соскальзывает вниз, общая сила реакции опоры может быть разделена на две составляющие: нормальную силу, перпендикулярную поверхности, и силу трения, параллельную поверхности. В другой распространенной ситуации, если объект ударяется о поверхность с определенной скоростью, и поверхность способна выдержать удар, нормальная сила обеспечивает быстрое замедление, которое будет зависеть от упругости поверхности и объекта.
In mechanics, the normal force is the component of a contact force that is perpendicular to the surface that an object contacts, as in Figure 1. In this instance normal is used in the geometric sense and means perpendicular, as opposed to the common language use of normal meaning "ordinary" or "expected". A person standing still on a platform is acted upon by gravity, which would pull them down towards the Earth's core unless there were a countervailing force from the resistance of the platform's molecules, a force which is named the "normal force". The normal force is one type of ground reaction force. If the person stands on a slope and does not sink into the ground or slide downhill, the total ground reaction force can be divided into two components: a normal force perpendicular to the ground and a frictional force parallel to the ground. In another common situation, if an object hits a surface with some speed, and the surface can withstand the impact, the normal force provides for a rapid deceleration, which will depend on the flexibility of the surface and the object.
Уравнения
В случае, когда объект опирается на плоский стол (в отличие от наклонной поверхности, как на рисунках 1 и 2), нормальная сила, действующая на объект, равна по величине, но противоположна по направлению гравитационной силе, приложенной к объекту (или весу объекта), то есть , где m – масса, а g – ускорение свободного падения (около 9,81 м/с² на Земле). Нормальная сила в данном случае представляет собой силу, с которой стол действует на объект, препятствуя его проваливанию сквозь стол, и требует, чтобы стол был достаточно прочным, чтобы выдержать эту силу без разрушения. Однако легко ошибочно предположить, что нормальная сила и вес являются парой сил действия и противодействия (распространенная ошибка). В этом случае нормальная сила и вес должны быть равны по величине, чтобы объяснить отсутствие ускорения объекта вверх. Например, мяч, отскакивающий вверх, ускоряется, потому что нормальная сила, действующая на мяч, больше по величине, чем его вес. Если объект опирается на наклонную поверхность, как на рисунках 1 и 2, нормальная сила перпендикулярна этой поверхности. При этом нормальная сила будет такой, какой необходимо для предотвращения проваливания объекта сквозь поверхность, при условии, что поверхность достаточно прочна. Величина этой силы может быть вычислена следующим образом:
где – нормальная сила, m – масса объекта, g – ускорение свободного падения, а θ – угол наклона поверхности, отсчитываемый от горизонтали. Нормальная сила – одна из нескольких сил, действующих на объект. В рассмотренных до сих пор простых ситуациях наиболее важными другими силами, действующими на объект, являются сила трения и сила тяжести.
Физическое происхождение
Нормальная сила является прямым следствием принципа исключения Паули и не является силой в строгом смысле этого слова: она возникает из-за взаимодействия электронов на поверхностях объектов. Атомы на двух поверхностях не могут проникать друг в друга без значительных затрат энергии, поскольку не существует низкоэнергетического состояния, при котором электронные волновые функции с обеих поверхностей перекрывались бы; следовательно, для предотвращения этого проникновения не требуется микроскопическая сила. Однако эти взаимодействия часто моделируют как силу Ван-дер-Ваальса, силу, которая очень быстро возрастает с уменьшением расстояния. На более макроскопическом уровне такие поверхности можно рассматривать как единое целое, и два тела не проникают друг в друга благодаря стабильности материи, которая, в свою очередь, является следствием принципа исключения Паули, а также фундаментальных сил природы: трещины в телах не расширяются из-за электромагнитных сил, формирующих химические связи между атомами; сами атомы не распадаются из-за электромагнитных сил между электронами и ядрами; а ядра не распадаются благодаря ядерным силам.