Nepaisant pavadinimo, įtampos fizika neturėtų sukelti galvos skausmo fizikos studentams. Šis įprastas jėgos tipas yra bet kurioje realaus pasaulio programoje, kai virvė ar panašus į daiktą yra įtempiamas.
Fizikos įtampos apibrėžimas
Įtampa - tai kontaktinė jėga, perduodama virve, virve, viela ar panašiai, kai ją traukia jėgos priešingais galais.
Pavyzdžiui, padangos sūpynės, kabančios ant medžio, sukeliaįtampavirvėje, laikančioje ją prie šakos. Virvės dugno traukimas atsiranda dėl gravitacijos, o viršuje - nuo šakos, atsispiriančios virvės tempimui.
Įtempimo jėga yra išilgai lyno, ir ji vienodai veikia daiktus abiejuose galuose - padangą ir šaką. Ant padangos įtempimo jėga nukreipta į viršų (nes virvės įtempimas padangą palaiko) o ant šakos įtempimo jėga nukreipta žemyn (priveržta virvė traukia žemyn filialas).
Kaip rasti įtampos jėgą
Norėdami surasti objekto įtempimo jėgą, nubrėžkite laisvo kūno diagramą, kad pamatytumėte, kur ši jėga turi būti taikoma (bet kur mokoma virvės ar virvelės). Tada raskitegrynoji jėgają kiekybiškai įvertinti.
Prisimink taiįtampa yra tik traukimo jėga. Paspaudus vieną virvės virvės galą, įtampa nekyla. Todėl įtempimo jėga laisvo kūno diagramoje visada turėtų būti traukiama ta kryptimi, kuria virvelė traukia objektą.
Pagal padangų svyravimo scenarijų, kaip minėta anksčiau, jei padanga yravis tiek- tai yra ne įsibėgėti aukštyn ar žemyn - turi būti agrynoji nulio jėga. Kadangi vienintelės dvi jėgos, veikiančios padangą, yra gravitacija ir įtampa, veikiančios priešingomis kryptimis, šios dvi jėgos turi būti vienodos.
Matematiškai:Fg = Ft kurFgyra sunkio jėga irFtyra įtampos jėga, tiek niutonais.
Primename, kad sunkio jėga,Fg, yra lygus objekto masei, pagreitėjusiam dėl sunkiog. TaigiFg = mg = Ft.
Tokiu atveju 10 kg padangai būtų tokia įtempimo jėgaFt = 10 kg × 9,8 m / s2 = 98 N.
Pagal tą patį scenarijų, kur virvė jungiasi su medžio šaka, taip pat yranulinė grynoji jėga. Tačiau šiame lyno gale nukreipta įtempimo jėga laisvo kūno diagramoježemyn.Tačiauįtempimo jėgos dydis yra vienodas: 98 N.
Iš to,aukštynkontaktinė jėga, kurią šaka taiko ant virvės, turi būti tokia pati kaip įtempimo jėga žemyn, kuri buvo tokia pati kaip sunkio jėga, veikianti žemyn padangą: 98 N.
Įtempimo jėga skriemulių sistemose
Įprasta fizikos problemų, susijusių su įtampa, kategorija apima askriemulio sistema. Skriemulys yra apskritas įtaisas, kuris sukasi, kad išleistų virvę ar virvelę.
Paprastai vidurinės mokyklos fizikos problemos skriemulius traktuoja kaip be masės ir trinties, nors realiame pasaulyje tai niekada netiesa. Paprastai neatsižvelgiama ir į virvės masę.
Skriemulio pavyzdys
Tarkime, kad ant stalo esanti masė sujungta virve, kuri 90 laipsnių kampu lenkiasi virš skriemulio stalo krašte ir jungiasi prie pakabintos masės. Tarkime, kad ant stalo esančios masės svoris yra 8 N, o dešinėje esantis pakabinimo blokas - 5 N. Koks yra abiejų blokų pagreitis?
Norėdami tai išspręsti, nubrėžkite atskiras kiekvieno bloko laisvo kūno diagramas. Tada raskitegrynoji jėga kiekvienam blokuiir naudoti antrąjį Niutono dėsnį (Fneto = ma) susieti jį su pagreičiu. (Pastaba: žemiau esantys „1“ ir „2“ prenumeratai yra atitinkamai „kairieji“ ir „dešinieji“.)
Mišios ant stalo:
Normali jėga ir bloko sunkio jėga (svoris) yra subalansuoti, todėl grynoji jėga yra visa įtampa, nukreipta į dešinę.
F_ {neto, 1} = F_ {t1} = m_1a
Kabanti masė:
Dešinėje įtempimas traukia bloką į viršų, o gravitacija - žemyn, taigigrynoji jėgaturi būti skirtumas tarp jų.
F_ {neto, 2} = F_ {t2} -m_2g = -m_2a
Atkreipkite dėmesį, kad ankstesnės lygties neiginiai tai žymipūkas yra neigiamasir kad galutinis bloko pagreitis (grynoji jėga) būtų nukreiptas žemyn.
Tada, kadangi blokus laiko ta pati virvė, jie patiria tą patį įtempimo jėgos dydį | Ft1| = | Ft2|. Be to, blokai paspartės tuo pačiu greičiu, nors kryptys yra skirtingos, taigi bet kurioje lygtyjeayra tas pats.
Naudojant šiuos faktus ir derinant galutines abiejų blokų lygtis:
a = \ frac {m_2} {m_1 + m_2} g = \ frac {5} {8 + 5} (9,8) = 3,77 \ text {m / s} ^ 2
Įtempimo jėga dviem matmenimis
Apsvarstykite pakabinamą puodo lentyną. Yra du lynai, laikantys 30 kg bagažinę, kiekvienas 15 laipsnių kampu nuo stovo kampų.
Norėdami rasti bet kurios virvės įtampą,grynoji jėgatiek x, tiek y kryptimis turi būti subalansuoti.
Pradėkite nuo puodo lentynos laisvo kūno diagramos.
Iš trijų stovo jėgų yra žinoma gravitacijos jėga, ir ji turi būti vienodai subalansuota vertikalia kryptimi abiejų vertikalių įtempimo jėgų komponentų.
F_g = mg = F_ {T1, y} + F_ {T2, y}
ir todėlFT1, y= FT2, y :
30 \ kartų 9,8 = 2 F_ {T1, y} \ reiškia F_ {T1, y} = 147 \ tekstas {N}
Kitaip tariant, kiekviena virvė daro 147 N jėgą į viršų ant pakabinto puodo stovo.
Norėdami iš čia patekti į bendrą kiekvienos virvės įtempimo jėgą, naudokite trigonometriją.
Sinuso trigonometrinis ryšys sieja y komponentą, kampą ir nežinomą įstrižinę įtempimo jėgą išilgai lyno iš abiejų pusių. Kairėje esančios įtampos sprendimas:
\ sin {15} = \ frac {147} {F_ {T1}} \ reiškia F_ {T1} = \ frac {147} {\ sin {15}} = 568 \ text {N}
Šis dydis būtų toks pat ir dešinėje pusėje, nors tos įtempimo jėgos kryptis skiriasi.
O horizontalios jėgos, kurias daro kiekviena virvė?
Trigonometrinis liestinės santykis sieja nežinomą x komponentą su žinomu y komponentu ir kampu. „X“ komponento sprendimas:
\ tan {15} = \ frac {147} {F_ {T1, x}} \ reiškia F_ {T1, x} = \ frac {147} {\ tan {15}} = 548.6 \ text {N}
Kadangi horizontaliosios jėgos taip pat yra subalansuotos, tai turi būti tokio pat dydžio jėga, kurią virvė daro priešinga kryptimi.
