A név ellenére a feszültség fizikája nem okozhat fejfájást a fizikus hallgatóknak. Ez a fajta erő minden olyan valós alkalmazásban megtalálható, ahol kötelet vagy kötélszerű tárgyat feszítenek.
Fizika A feszültség meghatározása
A feszültség egy kötélen, zsinegen, huzalon vagy hasonlóon keresztül továbbított érintkezési erő, amikor az ellenkező végeken lévő erők ráhúznak.
Például egy fára lógó gumiabroncs okozfeszültségaz ághoz tartó kötelben. A kötél alján lévő húzás a gravitációból származik, míg a felfelé húzás a kötél húzásának ellenálló ágból származik.
A feszítő erő a kötél hosszában van, és mindkét végén egyenlően hat a tárgyakra - az abroncsra és az ágra. A gumiabroncson a feszítő erő felfelé irányul (mert a kötélen lévő feszültség tartja a gumit) míg az ágon a feszültség ereje lefelé irányul (a meghúzott kötél lehúzza a ág).
Hogyan lehet megtalálni a feszültség erejét
Ha meg akarja találni a tárgy feszültségét, rajzoljon egy szabad test diagramot, és nézze meg, hol kell ezt az erőt alkalmazni (bárhol, ahol kötelet vagy zsineget húzzanak) Akkor keresse meg anet erőszámszerűsíteni.
Vegye figyelembe, hogya feszültség csak húzóerő. A laza kötél egyik végén történő nyomás nem okoz feszültséget. Ezért a szabad test ábrán a feszültség erejét mindig abba az irányba kell húzni, ahová a húr húzza az objektumot.
A gumiabroncs-lengési forgatókönyvben, amint azt korábban említettük, ha a gumiabroncs azmég mindig- vagyis nem gyorsul felfelé vagy lefelé - anulla nettó erő. Mivel csak a gumiabroncsra ható két erő a gravitáció és az ellentétes irányban ható feszültség, ennek a két erőnek egyenlőnek kell lennie.
Matematikailag:Fg = Ft holFga gravitációs erő, ésFta feszültség ereje, mind newtonban.
Emlékezzünk arra, hogy a gravitációs erő,Fg, megegyezik egy tárgy tömegével és a gravitáció miatti gyorsulás szorzatávalg. ÍgyFg = mg = Ft.
Egy 10 kg-os gumiabroncsnál tehát a feszítő erő lenneFt = 10 kg × 9,8 m / s2 = 98 N.
Ugyanebben a forgatókönyvben, ahol a kötél összekapcsolódik a fa ágával, ott is vannulla nettó erő. A kötél ezen végén azonban a szabad test diagramjának feszültsége irányullefelé.Azonban aa feszítő erő nagysága megegyezik: 98 N.
Ebből afelfeléaz ágnak a kötélre kifejtett érintkezési erőnek meg kell egyeznie a lefelé irányuló feszítő erővel, amely megegyezett a gumiabroncs lefelé ható gravitációs erőével: 98 N.
Feszítőerő a tárcsarendszerekben
A feszültséggel járó fizikai probléma általános kategóriája magában foglalja atárcsa rendszer. A szíjtárcsa olyan kör alakú eszköz, amely forog, hogy elengedjen egy kötelet vagy zsineget.
Általában a középiskolai fizikai problémák a csigákat tömegtelennek és súrlódásmentesnek kezelik, bár a való világban ez soha nem igaz. A kötél tömegét általában figyelmen kívül hagyják.
Tárcsa példa
Tegyük fel, hogy az asztalon lévő tömeget egy húr köti össze, amely 90 fokkal hajlik az asztal szélén lévő tárcsa fölé, és egy függő masszához kapcsolódik. Tegyük fel, hogy az asztalon lévő tömeg súlya 8 N, a jobb oldali függesztőtömb súlya pedig 5 N. Mekkora mindkét blokk gyorsulása?
Ennek megoldásához rajzoljon különálló szabad test diagramokat minden blokkhoz. Akkor keresse meg anettó erő az egyes blokkokonés használd Newton második törvényét (Fháló = ma), hogy a gyorsításhoz kapcsoljuk. (Megjegyzés: az alábbi "1" és "2" feliratok a "balra", illetve a "jobbra" vonatkoznak.)
Szentmise az asztalon:
A blokk normál ereje és a gravitációs erő (súly) kiegyensúlyozott, így a nettó erő mind a jobbra irányított feszültségtől származik.
F_ {nettó, 1} = F_ {t1} = m_1a
Lógó tömeg:
Jobb oldalon a feszültség felfelé, míg a gravitáció lefelé húzza a tömböt, így anet erőkülönbség kell lenniük közöttük.
F_ {nettó, 2} = F_ {t2} -m_2g = -m_2a
Vegye figyelembe, hogy az előző egyenlet negatívjai ezt jelziklefelé negatívebben a referenciakeretben és hogy a blokk (a nettó erő) végső gyorsulása lefelé irányul.
Ezután, mivel a tömböket ugyanaz a kötél tartja, ugyanolyan nagyságú feszültséget tapasztalnak | Ft1| = | Ft2|. Ezenkívül a blokkok azonos sebességgel gyorsulnak, bár az irányok eltérnek, tehát mindkét egyenletbenaugyanaz.
Ezeknek a tényeknek a felhasználásával és a két blokk végső egyenleteinek kombinálásával:
a = \ frac {m_2} {m_1 + m_2} g = \ frac {5} {8 + 5} (9,8) = 3,77 \ text {m / s} ^ 2
A feszültség két dimenzióban
Vegyünk egy függesztett fazékállványt. Két kötél tart egy 30 kg-os állványt, amelyek mindegyike 15 fokos szöget zár be az állvány sarkától.
Hogy megtalálja a kötél feszültségét, anet erőaz x- és az y-irányban egyaránt kiegyensúlyozottnak kell lennie.
Kezdje az edényállvány szabad test diagramjával.
Az állványon lévő három erő közül a gravitációs erő ismert, és függőleges irányban egyenlően kell egyensúlyoznia a feszítő erők mindkét függőleges alkotóeleme által.
F_g = mg = F_ {T1, y} + F_ {T2, y}
és mertFT1, y= FT2, y :
30 \ szor 9,8 = 2 F_ {T1, y} \ F_ {T1, y} = 147 \ text {N}
Más szavakkal, minden kötél 147 N erőt fejt ki felfelé a függesztő edényállványra.
Ahhoz, hogy innen eljusson az egyes kötelek teljes feszültségéhez, használja a trigonometriát.
A szinusz trigonometrikus kapcsolata az y-komponenst, a szöget és az ismeretlen átlós feszültséget kapcsolja a kötél mentén mindkét oldalon. Megoldva a bal oldali feszültséget:
\ sin {15} = \ frac {147} {F_ {T1}} \ F_ {T1} = \ frac {147} {\ sin {15}} = 568 \ text {N}
Ez a nagyságrend a jobb oldalon is megegyezik, bár ennek a feszültségnek az iránya más.
Mi a helyzet az egyes kötelek által kifejtett vízszintes erőkkel?
Az érintő trigonometrikus kapcsolata az ismeretlen x-komponenst az ismert y-komponenshez és a szöghez kapcsolja. Az x-komponens megoldása:
\ tan {15} = \ frac {147} {F_ {T1, x}} \ F_ {T1, x} = \ frac {147} {\ tan {15}} = 548.6 \ text {N}
Mivel a vízszintes erők is kiegyensúlyozottak, ennek ugyanolyan erőnek kell lennie, amelyet a jobb oldali kötél, ellentétes irányban fejt ki.