Adına rağmen gerilim fiziği, fizik öğrencileri için baş ağrısına neden olmamalıdır. Bu yaygın kuvvet türü, bir ipin veya ipe benzer bir nesnenin gergin olarak çekildiği herhangi bir gerçek dünya uygulamasında bulunur.
Gerginliğin Fizik Tanımı
Gerilim, bir ip, ip, tel veya benzeri bir şey aracılığıyla zıt uçlardaki kuvvetler onu çekerken iletilen bir temas kuvvetidir.
Örneğin, bir ağaçtan sarkan bir lastik salınımı neden olur.gerilimdala tutan ipte. Halatın alt kısmındaki çekme yerçekiminden, yukarı doğru çekme ise ipin çekişine direnen daldan gelir.
Gerilim kuvveti ipin uzunluğu boyuncadır ve her iki uçtaki nesnelere -lastik ve dal- eşit olarak etki eder. Lastik üzerinde, gerilim kuvveti yukarı doğru yönlendirilir (çünkü ipteki gerilim lastiği yukarı doğru tutar) dalda iken, gerilim kuvveti aşağıya doğru yönlendirilir (gerilen ip, dalın üzerinde aşağı doğru çekilir). şube).
Gerginlik Kuvveti Nasıl Bulunur?
Bir nesne üzerindeki gerilim kuvvetini bulmak için, bu kuvvetin nereye uygulanması gerektiğini görmek için bir serbest cisim diyagramı çizin (bir ipin veya ipin çekildiği her yerde öğretilir). Sonra bul
Dikkatgerilim sadece bir çekme kuvvetidir. Gevşek bir ipin bir ucunu itmek herhangi bir gerginliğe neden olmaz. Bu nedenle, bir serbest cisim diyagramındaki gerilim kuvveti her zaman ipin nesneyi çektiği yönde çizilmelidir.
Daha önce belirtildiği gibi lastik salınımı senaryosunda, lastikhala– yani, yukarı veya aşağı hızlanma değil – birsıfırın net kuvveti. Tekerleğe etki eden sadece iki kuvvet yerçekimi ve zıt yönlerde hareket eden gerilim olduğundan, bu iki kuvvet eşit olmalıdır.
Matematiksel olarak:Fg = Ft neredeFgyerçekimi kuvvetidir veFther ikisi de Newton cinsinden gerilim kuvvetidir.
Yerçekimi kuvvetini hatırlayın,Fg, bir nesnenin kütlesi çarpı yerçekimi ivmesine eşittirg. YaniFg = mg = Ft.
10 kg'lık bir lastik için gerilim kuvveti şu şekilde olacaktır:Ft = 10 kg × 9,8 m/s2 = 98 N.
Aynı senaryoda, ipin ağaç dalı ile birleştiği yerde de var.sıfır net kuvvet. Halatın bu ucunda ise serbest cisim diyagramındaki gerilim kuvveti yönlendirilir.aşağı doğru.Ancakgerilim kuvvetinin büyüklüğü aynı: 98 N.
Bundan,yukarıdalın halata uyguladığı temas kuvveti, aşağıya doğru çekme kuvveti ile aynı olmalıdır; bu, aşağıya doğru lastiğe etki eden yerçekimi kuvveti ile aynı olmalıdır: 98 N.
Kasnak Sistemlerinde Gerilme Kuvveti
Gerginliği içeren yaygın bir fizik problemi kategorisi,makara sistemi. Bir makara, bir ipi veya ipi çıkarmak için dönen dairesel bir cihazdır.
Genellikle lise fizik problemleri, gerçek dünyada bu asla doğru olmasa da, kasnakları kütlesiz ve sürtünmesiz olarak ele alır. Halatın kütlesi de tipik olarak göz ardı edilir.
kasnak Örneği
Bir masanın üzerindeki bir kütlenin, masanın kenarındaki bir makara üzerinde 90 derece bükülen bir ip ile bağlı olduğunu ve asılı bir kütleye bağlandığını varsayalım. Masadaki kütlenin ağırlığının 8 N olduğunu ve sağdaki asılı bloğun ağırlığının 5 N olduğunu varsayalım. Her iki bloğun ivmesi nedir?
Bunu çözmek için her blok için ayrı serbest cisim diyagramları çizin. Sonra bulher blokta net kuvvetve Newton'un ikinci yasasını kullanın (Fağ = anne) ivme ile ilişkilendirmek için. (Not: Aşağıdaki "1" ve "2" alt simgeleri sırasıyla "sol" ve "sağ" içindir.)
Masadaki kütle:
Bloğun normal kuvveti ve yerçekimi kuvveti (ağırlığı) dengelenmiştir, bu nedenle net kuvvetin tamamı sağa yönlendirilen gerilimdendir.
F_{net, 1}=F_{t1}=m_1a
Asılı kütle:
Sağda, gerilim bloğu yukarı doğru çekerken yerçekimi aşağı doğru çeker.net kuvvetaralarındaki fark olmalı.
F_{net, 2}=F_{t2}-m_2g=-m_2a
Önceki denklemdeki negatiflerin şunu gösterdiğine dikkat edin:aşağı negatifbu referans çerçevesinde ve bloğun son ivmesinin (net kuvvet) aşağıya doğru yönlendirildiği.
Daha sonra, bloklar aynı ip tarafından tutulduğu için, aynı |F çekme kuvvetine maruz kalırlar.t1| = |Ft2|. Ek olarak, yönler farklı olsa da bloklar aynı oranda hızlanacaktır, bu nedenle her iki denklemde debiraynı.
Bu gerçekleri kullanarak ve her iki blok için son denklemleri birleştirerek:
a=\frac{m_2}{m_1+m_2}g=\frac{5}{8+5}(9.8)=3.77\text{m/s}^2
İki Boyutta Gerilme Kuvveti
Asılı bir tencere rafı düşünün. 30 kg'lık bir rafı, rafın köşelerinden 15 derecelik bir açıyla tutan iki halat vardır.
Her iki ipteki gerilimi bulmak için,net kuvvethem x hem de y yönlerinde dengelenmelidir.
Tencere rafı için serbest cisim şemasıyla başlayın.
Raf üzerindeki üç kuvvetten yerçekimi kuvveti bilinmektedir ve bu kuvvet, çekme kuvvetlerinin düşey bileşenlerinin her ikisi tarafından düşey yönde eşit olarak dengelenmelidir.
F_g=mg=F_{T1,y}+F_{T2,y}
ve çünküFT1,y= FT2,y :
30\times 9,8 = 2 F_{T1,y}\F_{T1,y}=147\text{ N} anlamına gelir
Başka bir deyişle, her bir halat, asılı tencere rafına yukarıya doğru 147 N'luk bir kuvvet uygular.
Buradan her ipteki toplam gerilim kuvvetine ulaşmak için trigonometri kullanın.
Sinüsün trigonometrik ilişkisi, her iki taraftaki ip boyunca y bileşeni, açı ve bilinmeyen diyagonal gerilim kuvveti ile ilgilidir. Soldaki gerilimi çözme:
\sin{15}=\frac{147}{F_{T1}}\implies F_{T1}=\frac{147}{\sin{15}}=568\text{ N}
Gerilim kuvvetinin yönü farklı olsa da, bu büyüklük sağ tarafta da aynı olacaktır.
Her ipin uyguladığı yatay kuvvetler ne olacak?
Tanjantın trigonometrik ilişkisi, bilinmeyen x bileşenini bilinen y bileşeni ve açıyla ilişkilendirir. x bileşeni için çözme:
\tan{15}=\frac{147}{F_{T1,x}}\implies F_{T1,x}=\frac{147}{\tan{15}}=548.6\text{ N}
Yatay kuvvetler de dengelendiğinden, bu, sağdaki ipin zıt yönde uyguladığı kuvvetle aynı büyüklükte olmalıdır.