Unatoč imenu, fizika napetosti ne bi trebala stvoriti glavobolju studentima fizike. Ova uobičajena vrsta sile nalazi se u bilo kojoj stvarnoj primjeni gdje se konop ili predmet sličan konopu navlači.
Fizika Definicija napetosti
Napetost je sila dodira koja se prenosi užetom, žicom, žicom ili nečim sličnim kada na nju vuku sile na suprotnim krajevima.
Na primjer, uzrokuje ljuljanje gume koje visi o drvetunapetostu užetu držeći ga za granu. Povlačenje dna užeta dolazi od gravitacije, dok je povlačenje prema gore od grane koja se odupire potezanju užeta.
Sila napetosti duž je duljine užeta, a djeluje jednako na predmete s oba kraja - gumu i granu. Na gumi je sila zatezanja usmjerena prema gore (jer napetost užeta zadržava gumu) dok je na grani sila zatezanja usmjerena prema dolje (zategnuto uže vuče prema dolje podružnica).
Kako pronaći silu napetosti
Da biste pronašli silu napetosti na predmetu, nacrtajte dijagram slobodnog tijela kako biste vidjeli gdje se ta sila mora primijeniti (bilo gdje gdje se vuče konop ili konop). Zatim pronađiteneto silada bi se to kvantificiralo.
Imajte na umu danapetost je samo sila koja vuče. Guranje jednog kraja opuštenog užeta ne uzrokuje napetost. Stoga silu napetosti u dijagramu slobodnog tijela uvijek treba crtati u smjeru u kojem poteza vuče predmet.
U scenariju njihanja gume, kao što je prethodno spomenuto, ako je gumajoš- to jest, ne ubrzavajući prema gore ili prema dolje - mora postojati aneto sila nula. Budući da su jedine dvije sile koje djeluju na gumu gravitacija i napetost koje djeluju u suprotnim smjerovima, te dvije sile moraju biti jednake.
Matematički:Fg = Ft gdjeFgje sila gravitacije, iFtje sila napetosti, oba u njutnima.
Sjetimo se da je sila gravitacije,Fg, jednaka je masi predmeta pomnoženoj s ubrzanjem uslijed gravitacijeg. TakoFg = mg = Ft.
Tako bi za gumu od 10 kg bila sila zatezanjaFt = 10 kg × 9,8 m / s2 = 98 N.
U istom scenariju, tamo gdje se uže povezuje s grančicom stabla, također postojinula neto sila. Na ovom kraju užeta, međutim, usmjerena je sila napetosti na dijagramu slobodnog tijelaprema dolje.Međutimveličina sile zatezanja je ista: 98 N.
Iz ovoga jeprema gorekontaktna sila koju grana primjenjuje na uže mora biti jednaka sili zatezanja prema dolje, koja je bila jednaka sili gravitacije koja djeluje prema dolje na gumu: 98 N.
Sila napetosti u sustavima remenica
Uobičajena kategorija problema fizike koja uključuje napetost uključujesustav remenica. Kolotur je kružna naprava koja se vrti da bi pustila uže ili špagu.
Obično problemi s fizikom u srednjoj školi remenice tretiraju kao bez mase i bez trenja, iako u stvarnom svijetu to nikad nije istina. Obično se zanemari i masa užeta.
Primjer remenice
Pretpostavimo da je masa na stolu povezana žicom koja se savija za 90 stupnjeva preko remenice na rubu stola i spaja s visećom masom. Pretpostavimo da masa na stolu ima težinu od 8 N, a viseći blok s desne strane od 5 N. Koje je ubrzanje oba bloka?
Da biste to riješili, nacrtajte zasebne dijagrame slobodnog tijela za svaki blok. Zatim pronađiteneto sila na svakom blokui upotrijebite Newtonov drugi zakon (Fneto = ma) povezati ga s ubrzanjem. (Napomena: indeksi "1" i "2" u nastavku su za "lijevo", odnosno "desno".)
Misa na stolu:
Normalna sila i sila gravitacije (težine) bloka su uravnotežene, tako da je neto sila od napetosti usmjerene udesno.
F_ {mreža, 1} = F_ {t1} = m_1a
Viseća masa:
S desne strane napetost vuče blok prema gore, dok ga gravitacija vuče prema dolje, paneto silamora biti razlika između njih.
F_ {mreža, 2} = F_ {t2} -m_2g = -m_2a
Imajte na umu da negativi u prethodnoj jednadžbi to označavajudolje je negativanu ovom referentnom okviru i da je konačno ubrzanje bloka (neto sila) usmjereno prema dolje.
Tada, budući da se blokovi drže istim užetom, oni doživljavaju istu veličinu sile zatezanja | Ft1| = | Ft2|. Uz to, blokovi će se ubrzavati jednakom brzinom, premda su smjerovi različiti, pa u bilo kojoj jednadžbiaje isti.
Koristeći ove činjenice i kombinirajući konačne jednadžbe za oba bloka:
a = \ frac {m_2} {m_1 + m_2} g = \ frac {5} {8 + 5} (9,8) = 3,77 \ text {m / s} ^ 2
Sila napetosti u dvije dimenzije
Razmislite o visećem nosaču lonaca. Postoje dva užeta koja drže stalak od 30 kg, svaki pod kutom od 15 stupnjeva od uglova stalka.
Da biste pronašli napetost u bilo kojem užetu,neto silau oba smjera x i y moraju biti uravnoteženi.
Počnite s dijagramom slobodnog tijela za stalak za posude.
Od tri sile na nosaču poznata je sila gravitacije, koja mora biti podjednako uravnotežena u okomitom smjeru obje vertikalne komponente sila napetosti.
F_g = mg = F_ {T1, y} + F_ {T2, y}
i jerFT1, god= FT2, god :
30 \ puta 9,8 = 2 F_ {T1, y} \ implicira F_ {T1, y} = 147 \ text {N}
Drugim riječima, svako uže vrši silu od 147 N prema gore na viseći nosač lonaca.
Da biste odavde došli do ukupne sile napetosti svakog užeta, upotrijebite trigonometriju.
Trigonometrijski odnos sinusa odnosi se na y-komponentu, kut i nepoznatu dijagonalnu silu napetosti duž užeta s obje strane. Rješavanje napetosti s lijeve strane:
\ sin {15} = \ frac {147} {F_ {T1}} \ podrazumijeva F_ {T1} = \ frac {147} {\ sin {15}} = 568 \ text {N}
Ta bi veličina bila jednaka i s desne strane, premda je smjer te sile napetosti različit.
Što je s vodoravnim silama koje vrši svako uže?
Trigonometrijski odnos tangente povezuje nepoznatu x-komponentu s poznatom y-komponentom i kutom. Rješenje za x-komponentu:
\ tan {15} = \ frac {147} {F_ {T1, x}} \ podrazumijeva F_ {T1, x} = \ frac {147} {\ tan {15}} = 548,6 \ text {N}
Budući da su i vodoravne sile uravnotežene, to mora biti iste veličine sile koju uže vrši udesno, u suprotnom smjeru.