Sbírka fyzikálních pokusů

Síly v napnutém provazu

Pokus číslo: 4485

• Cíl pokusu

  Cílem pokusu je s použitím pružinových siloměrů předvést, že síly působící uvnitř napínaného provazu jsou stejně velké jako síly působící na jeho koncích.

• Motivační otázky

  1. Provaz vydrží napnutí silou 300 N. Za oba jeho konce budeme tahat silou 250 N. Přetrhne se provaz?

  2. Změní se nějak situace, pokud jeden konec provazu uvážeme ke stromu či ke skobě ve zdi a za druhý konec budeme tahat silou 250 N?

• Teorie

  První z výše uvedených otázek někdy budí představu, že síly, kterými taháme za konce provazu, se musí sečíst a uvnitř bude tedy síla dvojnásobná a provaz nevydrží. Skutečnost je ale taková, že i uvnitř provazu je stejná síla jakou taháme na koncích, tedy 250 N. Ověřit se to dá pokusem, kdy použijeme tři siloměry. Dva připojíme ke koncům provazu a taháme za ně. Třetí siloměr vložíme „dovnitř“ provazu – provaz rozstříhneme a ke koncům připojíme třetí siloměr. Situaci zachycuje schéma i reálné uspořádání na obr. 1.

  

  Je dobré také ověřit, že stejně to funguje i v případě, když jeden konec provazu přivážeme třeba ke skobě ve zdi. Skoba, ke které je provaz přivázaný, na něj působí stejně velkou silou jako taháme za druhý konec, tedy 250 N. Uvnitř provazu je opět stejně velká síla 250 N.

• Pomůcky

  • tři stejné pružinové siloměry s rozsahem 20 N
  • provaz, který je možno rozstřihnout

• Postup

  1. Provaz rozstřihneme na dvě části a na všech volných koncích uvážeme smyčky.

  2. Do smyček zahákneme siloměry tak, že dva siloměry jsou na krajích provazu a jeden je „uvnitř“ provazu (obr. 1).

  3. Nejprve uchopíme oba krajní siloměry a taháme za ně. Sledujeme výchylky všech tří siloměrů. Pozorujeme, že všechny siloměry ukazují stejnou velikost síly.

  4. Jeden z krajních siloměrů upevníme například ke skobě ve zdi, klice dveří či věšáku na stěně. Druhý z krajních siloměrů uchopíme a provaz se siloměry napneme. Pozorujeme, že všechny siloměry ukazují opět stejnou velikost síly.

• Vzorový výsledek

  Obrázek 2 ukazuje, že pokud zatáhneme za „krajní“ siloměry 1 a 2, budou všechny tři siloměry (včetně vloženého) ukazovat stejnou sílu, v našem případě 5 N. Síla, kterou je napínán provaz, tedy není dvojnásobkem sil, kterými namáháme jeho konce.

  

  Můžete se přesvědčit, že stejný výsledek dostanete také tehdy, kdy jeden z krajních siloměrů nebudete držet v ruce, ale upevníte ho (např. ke skobě ve zdi).

• Technické poznámky

  • Je třeba zkontrolovat, že nezatížené siloměry ukazují nulovou výchylku.

  • Dejte pozor na překročení rozsahu siloměrů.

  • Ve vzorovém výsledku byly použity krátké kusy provazu, aby se vše vešlo na fotografii. Při předvádění experimentu je vhodné použít provaz delší.

• Metodické poznámky

  První část experimentu cílí na častou chybnou představu, že síla působící v provazu je rovna součtu sil, kterými taháme za jeho konce.

  Druhá varianta pokusu ukazuje, že i skoba ve zdi, klika dveří či věšák na stěně tahají za provaz stejně velkou silou, jakou za něj taháme na druhé straně my. Pokud by tomu tak nebylo, musel by se provaz pohybovat se zrychlením směrem k nám (kdyby skoba tahala méně než my či vůbec) nebo naopak od nás (kdyby skoba tahala více než my).