Tensiune (fizică): definiție, formulă, cum se găsește (cu diagrame și exemple)

În ciuda numelui, fizica tensiunii nu ar trebui să provoace dureri de cap studenților la fizică. Acest tip comun de forță se găsește în orice aplicație din lumea reală în care o frânghie sau un obiect asemănător cu frânghia este întins.

Tensiunea este o forță de contact transmisă printr-o frânghie, coardă, sârmă sau ceva similar atunci când forțele de pe capetele opuse trag de ea.

De exemplu, o oscilație a anvelopei atârnată de un copac provoacătensiuneîn frânghia care o ține de ramură. Tragerea de pe fundul frânghiei provine din gravitație, în timp ce tragerea în sus este de la ramură care rezistă remorcării frânghiei.

Forța de tensiune este de-a lungul lungimii corzii și acționează în mod egal asupra obiectelor de la ambele capete - anvelopa și ramura. Pe pneu, forța de tensiune este îndreptată în sus (deoarece tensiunea din coardă ține pneul în sus) în timp ce pe ramură, forța de tensiune este îndreptată în jos (frânghia strânsă trage în jos pe ramură).

Pentru a găsi forța de tensiune asupra unui obiect, desenați o diagramă a corpului liber pentru a vedea unde trebuie să se aplice această forță (oriunde se trage o frânghie sau o sfoară). Apoi găsițiforta netapentru a o cuantifica.

Rețineți cătensiunea este doar o forță de tragere. Împingerea pe un capăt al unei frânghii slabe nu provoacă nicio tensiune. Prin urmare, forța de tensiune într-o diagramă a corpului liber trebuie întotdeauna trasată în direcția în care șirul trage de obiect.

În scenariul de schimbare a anvelopei, așa cum am menționat anterior, dacă anvelopa esteîncă- adică să nu accelereze în sus sau în jos - trebuie să existe unforța netă de zero. Deoarece singurele două forțe care acționează asupra anvelopei sunt gravitația și tensiunea care acționează în direcții opuse, aceste două forțe trebuie să fie egale.

Matematic:F​_g ​= F​_t UndeF_geste forța gravitației șiF_teste forța tensiunii, atât în ​​newtoni.

Amintiți-vă că forța gravitațională,F_g, este egal cu masa unui obiect de ori accelerarea datorată gravitațieig. Asa deF​_g ​= mg = F​_t.

Pentru o anvelopă de 10 kg, forța de tensiune ar fi astfelF_t = 10 kg × 9,8 m / s² = 98 N.

În același scenariu, unde frânghia se conectează cu ramura copacului există, de asemeneaforță netă zero. Cu toate acestea, la acest capăt al frânghiei este direcționată forța de tensiune din diagrama corpului liberîn jos​​.Însămagnitudinea forței de tensiune este aceeași: 98 N​.

Din aceasta,în susforța de contact pe care ramura o aplică pe frânghie trebuie să fie aceeași cu forța de tensiune în jos, care era aceeași cu forța de greutate care acționează în jos asupra anvelopei: 98 N.

O categorie comună de probleme fizice care implică tensiune implică osistem de scripete. Un scripete este un dispozitiv circular care se rotește pentru a scoate o frânghie sau o sfoară.

De obicei, problemele de fizică ale liceului tratează scripetele ca fiind fără masă și fără frecare, deși în lumea reală acest lucru nu este niciodată adevărat. Masa corzii este de obicei ignorată și.

Să presupunem că o masă de pe masă este conectată printr-un șir care se îndoaie cu 90 de grade peste un scripete la marginea mesei și se conectează la o masă suspendată. Să presupunem că masa de pe masă are o greutate de 8 N, iar blocul suspendat din dreapta are o greutate de 5 N. Care este accelerarea ambelor blocuri?

Pentru a rezolva acest lucru, desenați diagrame separate pentru corp liber pentru fiecare bloc. Apoi găsițiforța netă pe fiecare blocși folosiți a doua lege a lui Newton (F_net = ma) să o raporteze la accelerație. (Notă: indicii „1” și „2” de mai jos sunt pentru „stânga” și „dreapta”, respectiv.)

Liturghie pe masă:

Forța normală și forța de greutate (greutatea) blocului sunt echilibrate, astfel încât forța netă este tot din tensiunea direcționată spre dreapta.

Masă agățată:

În dreapta, tensiunea trage blocul în sus, în timp ce gravitația îl trage în jos, astfel încâtforta netatrebuie să fie diferența dintre ele.

Rețineți că negativele din ecuația anterioară denotă căjos este negativîn acest cadru de referință și că accelerația finală a blocului (forța netă) este direcționată în jos.

Apoi, deoarece blocurile sunt ținute de aceeași frânghie, experimentează aceeași magnitudine a forței de tensiune | F_t1| = | F_t2|. În plus, blocurile vor accelera în același ritm, deși direcțiile sunt diferite, deci în ambele ecuațiiAeste același.

Folosind aceste fapte și combinând ecuațiile finale pentru ambele blocuri:

Luați în considerare un suport pentru oale suspendat. Există două frânghii care susțin un raft de 30 kg, fiecare la un unghi de 15 grade față de colțurile raftului.

Pentru a găsi tensiunea în ambele frânghii,forta netaîn ambele direcții x și y trebuie să fie echilibrate.

Începeți cu diagrama corpului liber pentru raftul de oale.

Dintre cele trei forțe de pe raft, se cunoaște forța de greutate și trebuie să fie echilibrată în mod egal în direcția verticală de ambele componente verticale ale forțelor de tensiune.

și pentru căF_{T1, y}= F_{T2, y}​ :

Cu alte cuvinte, fiecare frânghie exercită o forță de 147 N în sus pe raftul de ghiveci suspendat.

Pentru a ajunge de aici la forța totală de tensiune din fiecare frânghie, utilizați trigonometria.

Relația trigonometrică a sinusului raportează componenta y, unghiul și forța diagonală necunoscută de tensiune de-a lungul corzii de pe ambele părți. Rezolvarea tensiunii din stânga:

Această magnitudine ar fi aceeași și pe partea dreaptă, deși direcția acelei forțe de tensiune este diferită.

Dar forțele orizontale pe care le exercită fiecare coardă?

Relația trigonometrică a tangentei corelează componenta x necunoscută cu componenta y cunoscută și unghiul. Rezolvarea pentru componenta x:

Deoarece forțele orizontale sunt, de asemenea, echilibrate, aceasta trebuie să fie aceeași magnitudine de forță exercitată de frânghia din dreapta, în direcția opusă.