Kljub imenu fizika napetosti študentom fizike ne bi smela povzročati preglavic. Ta običajna vrsta sile najdemo v kateri koli resnični aplikaciji, kjer vrv ali predmet, podoben vrvi, napeta.
Fizika Definicija napetosti
Napetost je kontaktna sila, ki se prenaša skozi vrv, vrvico, žico ali kaj podobnega, ko nanjo vlečejo sile na nasprotnih koncih.
Na primer vzrok gube, ki visi z drevesanapetostv vrvi, ki jo drži na veji. Vlečenje dna vrvi izvira iz gravitacije, medtem ko je vlečenje navzgor od veje, ki se upira vlečenju vrvi.
Sila napetosti je vzdolž dolžine vrvi in enako deluje na predmete na obeh koncih - pnevmatiko in vejo. Na pnevmatiko je sila napetosti usmerjena navzgor (ker napetost v vrvi zadržuje pnevmatiko) medtem ko je na veji sila napetosti usmerjena navzdol (napeta vrv vleče navzdol na podružnica).
Kako najti silo napetosti
Če želite poiskati silo napetosti na predmet, narišite diagram prostega telesa, da vidite, kje mora ta sila delovati (kjerkoli se uči vrv ali vrv). Potem poiščiteneto silaza količinsko opredelitev.
Upoštevajte tonapetost je le vlečna sila. Potiskanje enega konca ohlapne vrvi ne povzroča napetosti. Zato je treba silo napetosti v diagramu prostega telesa vedno narisati v smeri, v katero niz vleče predmet.
V scenariju nihanja pnevmatike, kot je bilo že omenjeno, če je pnevmatikaše vedno- torej ne pospeševati navzgor ali navzdol - mora obstajati ačista sila nič. Ker sta edini dve sili, ki delujeta na pnevmatiko, gravitacija in napetost, ki delujeta v nasprotnih smereh, morata biti ti dve sili enaki.
Matematično:Fg = Ft kjeFgje sila gravitacije inFtje sila napetosti, tako v newtonih.
Spomnimo se, da je sila teže,Fg, je enaka masi predmeta, pomnoženi s pospeškom zaradi gravitacijeg. TorejFg = mg = Ft.
Pri 10-kilogramski pnevmatiki bi bila sila napetosti torejFt = 10 kg × 9,8 m / s2 = 98 N.
V istem scenariju, kjer se vrv poveže z drevesno vejo, obstaja tudiničelna neto sila. Na ta konec vrvi pa je usmerjena sila napetosti v diagramu prostega telesanavzdol.Vendar pavelikost sile napetosti je enaka: 98 N.
Iz tega sledinavzgorkontaktna sila, ki jo veja deluje na vrv, mora biti enaka sili napetosti navzdol, ki je bila enaka sili teže, ki deluje navzdol na pnevmatiko: 98 N.
Sila napetosti v sistemih jermenic
Skupna kategorija fizikalnih problemov, ki vključujejo napetost, vključujesistem jermenic. Škripec je krožna naprava, ki se vrti, da spusti vrv ali vrvico.
Običajno težave s fiziko v srednji šoli remenice obravnavajo kot brez mase in trenja, čeprav v resničnem svetu to nikoli ne drži. Tudi masa vrvi se običajno prezre.
Primer jermenice
Recimo, da je masa na mizi povezana z vrvico, ki se upogne 90 stopinj nad škripcem na robu mize in se poveže z visečo maso. Predpostavimo, da ima masa na mizi 8 N, viseči blok na desni pa 5 N. Kakšen je pospešek obeh blokov?
Če želite to rešiti, za vsak blok narišite ločene diagrame prostega telesa. Potem poiščiteneto sila na vsak blokin uporabimo Newtonov drugi zakon (Fmreža = ma), da jo povežemo s pospeševanjem. (Opomba: spodnja indeksa "1" in "2" sta za "levo" oziroma "desno".)
Maša na mizi:
Normalna sila in sila teže (teže) bloka sta uravnoteženi, zato je celotna sila od napetosti, usmerjene v desno.
F_ {neto, 1} = F_ {t1} = m_1a
Viseča masa:
Na desni napetost potegne blok navzgor, gravitacija pa ga navzdol, tako daneto silamora biti razlika med njima.
F_ {neto, 2} = F_ {t2} -m_2g = -m_2a
Upoštevajte, da negativi v prejšnji enačbi to označujejonavzdol je negativnov tem referenčnem okviru in da je končni pospešek bloka (neto sila) usmerjen navzdol.
Potem, ker bloke drži ista vrv, doživljajo enako velikost sile napetosti | Ft1| = | Ft2|. Poleg tega bodo bloki pospeševali z enako hitrostjo, čeprav so smeri drugačne, tako v obeh enačbahaje enako.
Z uporabo teh dejstev in kombiniranjem končnih enačb za oba bloka:
a = \ frac {m_2} {m_1 + m_2} g = \ frac {5} {8 + 5} (9,8) = 3,77 \ besedilo {m / s} ^ 2
Sila napetosti v dveh dimenzijah
Razmislite o visečem loncu. Obstajata dve vrvi, ki držijo 30-kilogramsko stojalo, vsaka pod kotom 15 stopinj od vogalov stojala.
Če želite najti napetost v obeh vrveh,neto silav smeri x in y morata biti uravnoteženi.
Začnite s diagramom prostega telesa stojala za lonce.
Od treh sil na stojalu je znana sila teže, ki jo morata v navpični smeri enakomerno uravnotežiti obe navpični komponenti napetosti.
F_g = mg = F_ {T1, y} + F_ {T2, y}
in kerFT1, y= FT2, y :
30 \ krat 9,8 = 2 F_ {T1, y} \ implicira F_ {T1, y} = 147 \ besedilo {N}
Z drugimi besedami, vsaka vrv deluje na silo 147 N navzgor na viseči nosilec loncev.
Od tod pridemo do skupne napetosti vsake vrvi s trigonometrijo.
Trigonometrično razmerje sinusa povezuje y-komponento, kot in neznano diagonalno silo napetosti vzdolž vrvi na obeh straneh. Reševanje napetosti na levi:
\ sin {15} = \ frac {147} {F_ {T1}} \ implicira F_ {T1} = \ frac {147} {\ sin {15}} = 568 \ text {N}
Ta velikost bi bila enaka tudi na desni strani, čeprav je smer te sile napetosti drugačna.
Kaj pa vodoravne sile, ki jih deluje vsaka vrv?
Trigonometrično razmerje tangente poveže neznano komponento x z znano komponento y in kotom. Rešitev za x-komponento:
\ tan {15} = \ frac {147} {F_ {T1, x}} \ implicira F_ {T1, x} = \ frac {147} {\ tan {15}} = 548,6 \ text {N}
Ker so tudi vodoravne sile uravnotežene, mora biti to enaka velikost sile, ki jo vrvi vrv na desni, v nasprotni smeri.