Ch 4 lecture guide.notebook

1

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Chapter FOUR:  Forces in One Dimension

kew. 7­1:30 PM

4.1 Force and Motion

force: a push or pull exerted on an object

forces cause objects to:

speed up

slow down

change direction

therefore, a force causes an acceleration

 = change in velocity

force is a vector 

Ch 4 lecture guide.notebook

2

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

when considering force problems, 

the object of interest = the system

everything that acts on the system = the external world

ex:  book on table

kew. 7­1:30 PM

Contact forces and Field forces

external world physically touches the system

exerted by external world without physical contact

Ex:  Kyle shoves Mrs. Stowell out the window

Ex:  gravity pulls the flower pot to Earth

agent:  the cause of the force

Ch 4 lecture guide.notebook

3

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Free­body diagrams

sketch the situation

identify the system

identify the contact forces and the directions they push/pull

identify the field forces and the directions they push/pull

Flower pot is sitting on a shelf

system = flower pot

contact forces:  shelf pushing up

field force: gravity pulling down

simplify to

agent:  shelf

agent: earth's mass

Fshelf

FEarth's mass

length of vector arrows indicate magnitude

= length = constant velocity

Oct 28­1:10 PM

draw free body diagram of:

skydiver free falls out of a helicopter

(ignore air resistance)

Ch 4 lecture guide.notebook

4

April 24, 2015

Oct 28­1:10 PM

draw free body diagram of:

skydiver free falls and accelerates toward the ground (DO factor in air resistance)

Oct 28­1:10 PM

draw free body diagram of:skydiver opens chute and falls at a constant velocity toward the ground

Ch 4 lecture guide.notebook

5

April 24, 2015

Oct 28­1:10 PM

draw the free body diagram of:

crate is being pulled at a constant velocity to the right as friction opposes the motion

kew. 7­1:30 PM

Force and Acceleration

restated:  a force causes a CHANGE in velocity  ( an acceleration )

it is a linear relationship :  the greater the force exerted, the larger the acceleration of the object

F = ma

larger mass = larger force necessary to cause the same acceleration

F = labeled in Newtons

m = kilograms

a =  m/s2

Ch 4 lecture guide.notebook

6

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Combining Forces

force = vector

ex:  you and your friend push on a table

F1= 100N F2 = ­ 75N

+ x­ x

100N +  ­75N  = 25 N

positive (direction)

kew. 7­1:30 PM

Combining Forces

ex:  you and your friend push on a table

F1 = ­100N F2 = ­75 N+ x

­100N  +  ­ 75N =  ­175 N

Ch 4 lecture guide.notebook

7

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Combining Forces

ex:  you and your friend push on a table

F1 = 100N F2 = ­100 N+ x

100N  +  ­ 100N =  0 N

no net force = no acceleration

clarification:  doesn't mean no velocity

kew. 7­1:30 PM

F = ma

m =  F/a

a = F/m

solving problems:   draw diagram

    identify all forces

    find net force

    use Newton's second Law

    use previous formulas to find v, d, or t

Newton's Second Law  label for force?

label for mass?

label for acceleration?

1 Newton = 1 kg m /s2

Ch 4 lecture guide.notebook

8

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

ex:   What force is required to accelerate a 6.0 kg  bowling ball at  +2.0 m/s2? 

kew. 7­1:30 PM

ex: What is the acceleration of a 35 kg mass that has a force of 270 N applied to it horizontally? 

Ch 4 lecture guide.notebook

9

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Ex:  What is the acceleration of a 125 kg mass when three different forces are exerted on it?  The object was at rest and achieved a speed of 10.0 m/s.  The first force is 10.0 N east, the second is 30.0 N east, and the third is 15.0 N west. 

How far did the object travel by the time it reached 10.0 m/s?

kew. 7­1:30 PM

Newton's First Law

an object at motion will stay in motion and an object at rest will stay at rest unless an unbalanced force acts upon it

aka "Law of Inertia"

so....what is the motion of an object with no net force acting upon it?

nothing changes if there is NO NET force

Ch 4 lecture guide.notebook

10

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Some types of forces:  table 4­2 on page 94

you'll see these abbreviations in free body diagrams

ex:  Fg  instead of FEarth's mass

kew. 7­1:30 PM

inertia:  

   tendency of an object to resist a change in its motion

   NOT a force

   as mass of object increases = inertia increases

equilibrium: 

   when net force on object = 0

   object is either:  1) at rest

     2) moving at a constant velocity

Ch 4 lecture guide.notebook

11

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

4.2 Using Newton's Laws F = ma

Weight is a force    Fg = mgIt is the mass of an object being pulled on by Earth's gravitational field

Fg and g are both straight downward toward center of the Earth

gravity is pulling down on objects even when they aren't falling

kew. 7­1:30 PM

scales

you have mass         gravity pulls down on that mass         you have weight

when you stand on the scale, your weight is a downward force

are you accelerating?  (are you speeding up? slowing down? changing       direction? ) 

so the scale must be pushing up on you with force equal in magnitude to your weight

Fsp

Fg

Ch 4 lecture guide.notebook

12

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Felicia, a ballet dancer, has a mass of 45.0 kg.  

a) what is Felicia's weight on Earth?

b) what is Felicia's mass on Jupiter where acceleration due to gravity is 25.0 m/s2?

c) what is Felicia's mass on Jupiter where acceleration due to gravity is 25.0 m/s2?

.

kew. 7­1:30 PM

A space ship has a mass of 9000 kg.  The space ship is launched from Earth and lands on a distant planet where it has a weight of 390000 N.  What is the acceleration of gravity on this planet?

Ch 4 lecture guide.notebook

13

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Arnold needs to lift a 35.0 kg rock.  If he exerts an upward force of 502 N on the rock, what is the rock's acceleration?

kew. 7­1:30 PM

The elevator in the new office building warns that it can safely lift 300 kg at one time.  If John (850 N), Betty (530 N), Robert (740 N) and Alice (610 N) all get in the elevator at once, can the elevator safely carry them up to the third floor?  

Ch 4 lecture guide.notebook

14

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

A giant crane in Washington DC was tested by lifting a load with a mass of 2.232 x 103 kg.

Find the force needed to lift the load with an acceleration of 2.20 m/s2.

kew. 7­1:30 PM

If friction exerts a force of 15.0 N and a crate of 105 kg is accelerated to the right at a rate of 0.652 m/s2, what is the force pushing the crate to the right?

Ch 4 lecture guide.notebook

15

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Apparent Weightobserved when an object experiences a vertical acceleration

elevator:

 at constant velocity ( no acceleration)  

scale will read your actual weight 

 accelerating upward 

stronger upward force than the downward gravity force

scale will read that you are heavier than your actual wt.

  accelerating downward

scale will read less than your actual weight

cable breaks:  you and elevator room are in free fall

only acceleration is g

         you will appear weightless on the scale

.

kew. 7­1:30 PM

You are in an elevator standing on a balance scale such as the kind you find in a doctor's office.  You notice that the scale reads many kilograms less than you really weigh.

a.  Is the elevator moving at constant velocity or is it accelerating?

b.  What is the direction of the acceleration?

Ch 4 lecture guide.notebook

16

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Drag force and terminal velocity

So far, we've ignored air resistance

In reality, when an object moves through any fluid (liquid/gas) the fluid exerts a force opposing the motion

the magnitude of the drag force depends on:

the speed the object is moving

faster object speed = greater drag forceslower object speed = smaller drag force

the size and shape of the object that is moving

sheet of paper has a greater drag force than a spherical ball

properties of the fluidtemperature and viscosity

.

kew. 7­1:30 PM

When drag force EQUALS the force of gravity  ( Fg = mg), the object is in equilibrium

Fg

Fair

object falls, and accelerates due to "g"

as velocity increases, so does the drag force

if the object falls long enough, it speeds up until drag force has increased to = "g"FgFg

FairFair

then it no longer accelerates = constant velocity  =  TERMINAL VELOCITY

(initial velocity is small, so drag force is small)

.

Ch 4 lecture guide.notebook

17

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

4.3 Interaction Forces

Forces exist in pairs

example:  two people wearing ice skates ( to reduce friction )one person pushes the other, but both will move

Grandma Jedidiah James

Fgrandma on JJFJJ on grandma

opposite directions, but equal magnitude

they act on EACH OTHER:  so, JJ is the agent when Grandma is the systemGrandma is the agent when JJ is the system

.

kew. 7­1:30 PM

Newton's Third Law:

For every force, there is an equal and opposite force

F A on B  =  ­F B on AForce of Grandma on JJ = Force of JJ on Grandma in opposite 

direction

Ch 4 lecture guide.notebook

18

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

F lady on floor =  ­ F floor on ladyF floor on lady

F lady on floor

equal and opposite = interaction pair

 Fg

kew. 7­1:30 PM

Fg is always present

if Earth exerts a downward force on the person

the person also exerts an upward force on earth

interaction pair

the FORCES are equal and opposite

but Earth's mass is so large compared to the person .....

it makes the acceleration of the Earth very small

Ch 4 lecture guide.notebook

19

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Forces of Ropes and Strings

Tension: force exerted by rope/string.

Fg

FT

Tension is distributed equally throughout the length of the rope/string

Tension in the string would equal the weight of the bucket

kew. 7­1:30 PM

#32, page 106

Ch 4 lecture guide.notebook

20

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

 You are fishing and catch a fish with a mass of  2.0 kg.  If the fishing line can withstand a maximum tension of 30.0 N, what is the maximum acceleration you can give the fish as you reel it in?

kew. 7­1:30 PM

The Normal Force : the perpendicular contact force exerted by a surface on another object

any two objects in contact with each other exert a force on each other

F box on table

F table on box

the surface that the object makes contact with is the table  (horizontal)

so the normal force is perpendicular to and away from the surface Fn

Fn = the force of the table on the box

Ch 4 lecture guide.notebook

21

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

Fn often equals Fg in magnitude

but not always.....

  

10kg

this crate is in equilibrium

Fn = ­ Fg

what is the normal force?

ex:

10kg

Fg = 10kg (­9.8m/s2) = ­98 N

What if a little kid tried to lift it with a force of 10 N upward?  It isn't enough force to move the box, but it is still exerted on the box. 

Fg = 10kg (­9.8m/s2) = ­98 N

(0 m/s, no acceleration)

still in equilibrium, so up forces have to balance with down forces

Fkid = 10 N

What is the normal force?

kew. 7­1:30 PM

10kg

Fg = 10kg (­9.8m/s2) = ­98 N

still in equilibrium, so up forces have to balance with down forces

Fkid = 10 N

What is the normal force?

10kg

Fg = 10kg (­9.8m/s2) = ­98 N

What if something pushed down on the box with 5 N of force.

Fg

Fpush

What is the normal force?

Ch 4 lecture guide.notebook

22

April 24, 2015

kew. 7­1:30 PM

A 12.0 kg block sits on a table.  A 10.0 kg block sits on top of the 12.0 kg block.  If there is nothing on top of the 10.0 kg block, what is the force that the table exerts on the 12.0 kg block?