På trods af navnet bør spændingsfysikken ikke forårsage hovedpine for fysikstuderende. Denne almindelige form for styrke findes i enhver applikation i den virkelige verden, hvor et reb eller en reblignende genstand trækkes stramt.
Fysik Definition af spænding
Spænding er en kontaktkraft, der transmitteres gennem et reb, snor, wire eller noget lignende, når kræfter i modsatte ender trækker på det.
For eksempel forårsager et dæksving, der hænger fra et træspændingi rebet, der holder det til grenen. Trækket i bunden af rebet kommer fra tyngdekraften, mens det opadgående træk er fra grenen, der modstår rebets trækkraft.
Spændingskraften er langs rebets længde, og den virker ligeligt på genstande i begge ender - dækket og grenen. På dækket styres spændingskraften opad (fordi spændingen i rebet holder dækket op) mens det er på grenen, styres spændingskraften nedad (det strammede reb trækker ned på afdeling).
Sådan finder du spændingskraften
For at finde spændingskraften på en genstand skal du tegne et frit kropsdiagram for at se, hvor denne kraft skal anvendes (hvor som helst et reb eller en streng trækkes indlært). Find derefter
nettokraftat kvantificere det.Noter detspænding er kun en trækkraft. At skubbe i den ene ende af et slap reb forårsager ingen spænding. Derfor skal spændingskraften i et frit legemsdiagram altid trækkes i den retning, som strengen trækker på objektet.
I dæk-sving scenarie som nævnt tidligere, hvis dækket erstadig- dvs. ikke accelerere opad eller nedad - der skal være ennettokraft på nul. Da de eneste to kræfter, der virker på dækket, er tyngdekraften og spændingen, der virker i modsatte retninger, skal disse to kræfter være ens.
Matematisk:Fg = Ft hvorFger tyngdekraften, ogFter spændingskraften, både i newton.
Husk, at tyngdekraften,Fg, er lig med et objekts masse gange accelerationen på grund af tyngdekrafteng. SåFg = mg = Ft.
For et 10 kg dæk ville spændingskraften således væreFt = 10 kg × 9,8 m / s2 = 98 N.
I samme scenarie, hvor rebet forbinder med trægrenen, er der ogsånul nettokraft. I denne ende af rebet styres imidlertid spændingskraften i diagrammet for frit legemenedad.Men denstørrelsen af spændingskraften er den samme: 98 N.
Fra dette, denopadkontaktkraft, som grenen anvender på rebet, skal være den samme som spændingskraften nedad, hvilket var den samme som tyngdekraften, der virker nedad på dækket: 98 N.
Spændingskraft i remskiver
En almindelig kategori af fysikproblemer, der involverer spænding, involverer enremskive system. En remskive er en cirkulær enhed, der drejer for at slippe et reb eller en snor.
Normalt behandler gymnasiefysikproblemer remskiver som masseløse og friktionsfrie, men i den virkelige verden er dette aldrig sandt. Rebets masse ignoreres typisk også.
Remskiveeksempel
Antag at en masse på et bord er forbundet med en streng, der bøjes 90 grader over en remskive ved kanten af bordet og forbinder til en hængende masse. Antag, at massen på bordet har en vægt på 8 N, og den hængende blok til højre har en vægt på 5 N. Hvad er accelerationen af begge blokke?
For at løse dette skal du tegne separate fritlegemsdiagrammer for hver blok. Find derefternettokraft på hver blokog brug Newtons anden lov (Fnet = ma) at relatere det til acceleration. (Bemærk: abonnementerne "1" og "2" nedenfor er henholdsvis "venstre" og "højre".)
Masse på bordet:
Den normale kraft og tyngdekraften (vægten) af blokken er afbalanceret, så nettokraften er alt fra spændingen rettet mod højre.
F_ {net, 1} = F_ {t1} = m_1a
Hængende masse:
Til højre trækker spændingen blokken opad, mens tyngdekraften trækker den nedad, så dennettokraftskal være forskellen mellem dem.
F_ {net, 2} = F_ {t2} -m_2g = -m_2a
Bemærk, at negativerne i den foregående ligning angiver detned er negativi denne referenceramme, og at den endelige acceleration af blokken (nettokraften) er rettet nedad.
Da blokke holdes af det samme reb, oplever de så den samme størrelse af spændingskraften | Ft1| = | Ft2|. Derudover accelererer blokke med samme hastighed, selvom retningerne er forskellige, så i begge ligninger-ener den samme.
Brug af disse fakta og kombination af de endelige ligninger for begge blokke:
a = \ frac {m_2} {m_1 + m_2} g = \ frac {5} {8 + 5} (9,8) = 3,77 \ tekst {m / s} ^ 2
Spændingskraft i to dimensioner
Overvej et hængende krukkehylde. Der er to reb, der holder et 30 kg rack, hver i en vinkel på 15 grader fra stativets hjørner.
For at finde spændingen i begge reb,nettokrafti både x- og y-retningen skal være afbalanceret.
Start med fritlegemsdiagrammet til potteholderen.
Af de tre kræfter på stativet er tyngdekraften kendt, og den skal afbalanceres ens i lodret retning af begge de lodrette komponenter i spændingskræfterne.
F_g = mg = F_ {T1, y} + F_ {T2, y}
og fordiFT1, y= FT2, y :
30 \ gange 9.8 = 2 F_ {T1, y} \ antyder F_ {T1, y} = 147 \ tekst {N}
Med andre ord udøver hvert reb en kraft på 147 N opad på det hængende potterestativ.
Brug trigonometri for at komme herfra til den samlede spændingskraft i hvert reb.
Det trigonometriske forhold mellem sinus vedrører y-komponenten, vinklen og den ukendte diagonale spændingskraft langs rebet på begge sider. Løsning af spændingen til venstre:
\ sin {15} = \ frac {147} {F_ {T1}} \ antyder F_ {T1} = \ frac {147} {\ sin {15}} = 568 \ tekst {N}
Denne størrelse ville også være den samme på højre side, selvom retningen af denne spændingskraft er forskellig.
Hvad med de vandrette kræfter, som hvert reb udøver?
Det trigonometriske forhold mellem tangens relaterer den ukendte x-komponent til den kendte y-komponent og vinklen. Løsning af x-komponenten:
\ tan {15} = \ frac {147} {F_ {T1, x}} \ antyder F_ {T1, x} = \ frac {147} {\ tan {15}} = 548,6 \ tekst {N}
Da de vandrette kræfter også er afbalancerede, skal dette være den samme styrke, som rebet udøver til højre i den modsatte retning.