名前にもかかわらず、緊張の物理学は物理学の学生に頭痛を引き起こすべきではありません。 この一般的なタイプの力は、ロープまたはロープのようなオブジェクトがぴんと張られている実際のアプリケーションで見られます。
張力の物理的定義
張力とは、ロープ、弦、ワイヤーなどを介して、両端の力が引っ張られたときに伝達される接触力です。
たとえば、木からぶら下がっているタイヤのブランコは、テンション枝にそれを保持しているロープで。 ロープの底の引っ張りは重力によるものであり、上向きの引っ張りはロープの引っ張りに抵抗する枝からのものです。
張力はロープの長さに沿っており、タイヤとブランチの両端のオブジェクトに等しく作用します。 タイヤでは、張力が上向きになります（ロープの張力がタイヤを支えているため） 枝にいる間、張力は下向きになります（締められたロープは ブランチ）。
緊張の力を見つける方法
オブジェクトにかかる張力を見つけるには、自由体図を描いて、この力を適用する必要がある場所（ロープや紐が引っ張られている場所）を確認します。 次に、正味の力それを定量化する。
ご了承ください張力は引っ張る力だけです. たるんだロープの一端を押しても張力は発生しません。 したがって、自由体図の張力は、常に弦がオブジェクトを引っ張っている方向に引く必要があります。
前述のタイヤスイングシナリオでは、タイヤがまだ–つまり、上向きまたは下向きに加速しない–ゼロの正味の力. タイヤに作用する2つの力は、反対方向に作用する重力と張力のみであるため、これら2つの力は等しくなければなりません。
数学的に：Fg = Ft どこFgは重力であり、Ft両方ともニュートンで表した張力の力です。
重力を思い出してください、Fgは、オブジェクトの質量に重力による加速度を掛けたものに等しくなりますg. そうFg = mg = Ft.
したがって、10 kgのタイヤの場合、張力は次のようになります。Ft = 10kg×9.8m / s2 = 98N。
同じシナリオで、ロープが木の枝に接続している場合もあります正味の力がゼロ. ただし、ロープのこの端では、自由体図の張力が方向付けられます。下向き.しかし張力の大きさは同じです：98 N.
これから、上向きブランチがロープに加える接触力は、下向きの張力と同じである必要があります。これは、タイヤに下向きに作用する重力と同じでした：98N。
プーリーシステムの張力
緊張を伴う物理学の問題の一般的なカテゴリには、プーリーシステム. 滑車は、ロープや紐を出すために回転する円形の装置です。
通常、高校の物理学の問題では、滑車は質量がなく摩擦がないものとして扱われますが、現実の世界ではこれは決して真実ではありません。 通常、ロープの質量も無視されます。
プーリーの例
テーブル上のマスが、テーブルの端にある滑車の上で90度曲がり、吊り下げられたマスに接続するストリングによって接続されているとします。 テーブルの質量の重量が8Nで、右側の吊り下げブロックの重量が5Nであると仮定します。 両方のブロックの加速度はどれくらいですか？
これを解決するには、ブロックごとに個別の自由体図を描画します。 次に、各ブロックの正味の力ニュートンの第2法則を使用します（Fネット = ma）それを加速度に関連付ける。 （注：以下の添え字「1」と「2」は、それぞれ「左」と「右」を表します。）
テーブルの上の質量：
ブロックの法線力と重力（重量）のバランスが取れているため、正味の力はすべて右向きの張力によるものです。
F_ {net、1} = F_ {t1} = m_1a
ぶら下がっている質量：
右側では、張力によってブロックが上向きに引っ張られ、重力によってブロックが下向きに引っ張られるため、正味の力それらの間の違いでなければなりません。
F_ {net、2} = F_ {t2} -m_2g = -m_2a
前の式の負の値は、ダウンは負ですこの基準系では、ブロックの最終加速度（正味の力）が下向きになっています。
次に、ブロックは同じロープで保持されているため、同じ大きさの張力| Fが発生します。t1| = | Ft2|. さらに、方向は異なりますが、ブロックは同じ速度で加速するため、どちらの式でもa同じです。
これらの事実を使用し、両方のブロックの最終的な方程式を組み合わせます。
a = \ frac {m_2} {m_1 + m_2} g = \ frac {5} {8 + 5}（9.8）= 3.77 \ text {m / s} ^ 2
二次元の張力
ハンギングポットラックを考えてみましょう。 30 kgのラックを支える2本のロープがあり、それぞれがラックの角から15度の角度になっています。
どちらかのロープの張力を見つけるには、正味の力x方向とy方向の両方でバランスを取る必要があります。
ポットラックの自由体図から始めます。
ラックにかかる3つの力のうち、重力は既知であり、張力の垂直成分の両方によって垂直方向に均等にバランスをとる必要があります。
F_g = mg = F_ {T1、y} + F_ {T2、y}
そしてなぜならFT1、y= FT2、y :
30 \ times 9.8 = 2 F_ {T1、y} \ implies F_ {T1、y} = 147 \ text {N}
言い換えると、各ロープは吊り下げ式ポットラックに147Nの力を上向きに加えます。
ここから各ロープの総張力を得るには、三角法を使用します。
サインの三角関数の関係は、y成分、角度、および両側のロープに沿った未知の対角線張力に関係します。 左側の緊張を解く：
\ sin {15} = \ frac {147} {F_ {T1}} \ implies F_ {T1} = \ frac {147} {\ sin {15}} = 568 \ text {N}
この張力の方向は異なりますが、この大きさは右側でも同じです。
各ロープが及ぼす水平方向の力はどうですか？
接線の三角関数の関係は、未知のx成分を既知のy成分と角度に関連付けます。 xコンポーネントの解決：
\ tan {15} = \ frac {147} {F_ {T1、x}} \ implies F_ {T1、x} = \ frac {147} {\ tan {15}} = 548.6 \ text {N}
水平方向の力もバランスが取れているため、これは右側のロープが反対方向に加える力と同じ大きさである必要があります。