المحتوى

• خطوات
• طريقة 1 من 2: تحديد قوة الشد على خصلة واحدة
• الطريقة 2 من 2: حساب قوة الشد على خيوط متعددة

في الفيزياء ، قوة الشد هي قوة تؤثر على حبل أو سلك أو كابل أو شيء مشابه أو مجموعة من الأشياء. أي شيء يتم سحبه أو تعليقه أو دعمه أو اهتزازه بحبل أو سلك أو كابل وما إلى ذلك ، يخضع لقوة سحب. مثل كل القوى ، يمكن أن يؤدي التوتر إلى تسريع الأجسام أو يتسبب في تشوهها.تعد القدرة على حساب قوة الشد مهارة مهمة ليس فقط لطلاب الفيزياء ، ولكن أيضًا للمهندسين والمعماريين ؛ يحتاج أولئك الذين يبنون منازل مستقرة إلى معرفة ما إذا كان حبل أو كابل معين سيتحمل قوة سحب وزن الجسم حتى لا ينهار أو ينهار. ابدأ بقراءة المقال لتتعلم كيفية حساب قوة الشد في بعض الأنظمة الفيزيائية.

خطوات

طريقة 1 من 2: تحديد قوة الشد على خصلة واحدة

1. 1 حدد القوى عند كل طرف من طرفي الخيط. قوة سحب خيط معين ، حبل ، هي نتيجة القوى التي تسحب الحبل عند كل طرف. نذكرك القوة = الكتلة × التسارع... بافتراض أن الحبل مشدود ، فإن أي تغيير في عجلة أو كتلة جسم معلق بالحبل سيغير شد الحبل نفسه. لا تنسى التسارع المستمر للجاذبية - حتى لو كان النظام في حالة سكون ، فإن مكوناته هي كائنات من تأثير الجاذبية. يمكننا أن نفترض أن قوة سحب حبل معين هي T = (m × g) + (m × a) ، حيث "g" هي تسارع الجاذبية لأي جسم يدعمه الحبل ، و "a" هي أي تسارع آخر يعمل على الأشياء.
   • لحل العديد من المشاكل الجسدية ، نفترض حبل مثالي - بعبارة أخرى ، حبلنا رقيق وليس له كتلة ولا يمكن أن يمتد أو ينكسر.
   • كمثال ، لنفكر في نظام يتم فيه تعليق الحمولة من عارضة خشبية باستخدام حبل واحد (انظر الصورة). لا يتحرك الحمل نفسه ولا الحبل - فالنظام في حالة راحة. نتيجة لذلك ، نعلم أنه لكي تكون الحمولة متوازنة ، يجب أن تكون قوة الشد مساوية لقوة الجاذبية. بمعنى آخر ، سحب القوة (F_ر) = الجاذبية (F_ز) = م × ز.
     • لنفترض أن الحمل كتلته 10 كجم ، فإن قوة الشد تساوي 10 كجم × 9.8 م / ث = 98 نيوتن.
2. 2 ضع في اعتبارك التسارع. الجاذبية ليست القوة الوحيدة التي يمكن أن تؤثر على قوة سحب الحبل - فأي قوة تؤثر على جسم ما على الحبل مع التسارع تنتج نفس التأثير. على سبيل المثال ، إذا تم تسريع جسم معلق بحبل أو كابل بقوة ، فإن قوة التسارع (الكتلة × التسارع) تضاف إلى قوة الشد الناتجة عن وزن ذلك الجسم.
   • لنفترض ، في مثالنا ، أنه تم تعليق وزن 10 كجم على حبل ، وبدلاً من ربطه بعارضة خشبية ، يتم سحبه لأعلى بسرعة 1 م / ث. في هذه الحالة ، نحتاج إلى حساب تسارع الحمل ، وكذلك تسارع الجاذبية ، على النحو التالي:
     • F_ر = F._ز + م × أ
     • F_ر = 98 + 10 كجم × 1 م / ث
     • F_ر = 108 نيوتن.
3. 3 ضع في اعتبارك التسارع الزاوي. جسم على حبل يدور حول نقطة تعتبر المركز (مثل البندول) يمارس شدًا على الحبل من خلال قوة الطرد المركزي. قوة الطرد المركزي هي قوة الشد الإضافية التي يخلقها الحبل عن طريق "دفعه" إلى الداخل بحيث يستمر الحمل في التحرك في قوس بدلاً من خط مستقيم. كلما تحرك الجسم بشكل أسرع ، زادت قوة الطرد المركزي. قوة الطرد المركزي (F_ج) تساوي m × v / r حيث "m" هي الكتلة و "v" السرعة و "r" نصف قطر الدائرة التي يتحرك عليها الحمل.
   • نظرًا لأن اتجاه وقيمة قوة الطرد المركزي يتغيران اعتمادًا على كيفية تحرك الجسم وتغيير سرعته ، يكون التوتر الكلي على الحبل دائمًا موازيًا للحبل عند نقطة المركز. تذكر أن قوة الجاذبية تؤثر باستمرار على الجسم وتسحبه لأسفل. لذلك إذا كان الجسم يتأرجح عموديًا ، فإن التوتر الكامل الأقوى عند أدنى نقطة من القوس (بالنسبة للبندول ، تسمى هذه نقطة التوازن) ، عندما يصل الجسم إلى سرعته القصوى ، و الأضعف في الجزء العلوي من القوس حيث يتباطأ الكائن.
   • لنفترض أنه في مثالنا ، لم يعد الجسم يتسارع لأعلى ، بل يتأرجح مثل البندول. دع حبلنا يبلغ طوله 1.5 متر ، ويتحرك حملنا بسرعة 2 م / ث ، عند المرور عبر أدنى نقطة في التأرجح.إذا احتجنا إلى حساب قوة الشد عند أدنى نقطة من القوس ، عندما تكون في أعظمها ، فعلينا أولاً معرفة ما إذا كان الحمل يتعرض لضغط جاذبية متساوٍ عند هذه النقطة ، كما في حالة السكون - 98 نيوتن. لإيجاد قوة طرد مركزي إضافية ، نحتاج إلى حل ما يلي:
     • F_ج = م × ت / ص
     • F_ج = 10 × 2/1.5
     • F_ج = 10 × 2.67 = 26.7 نيوتن.
     • وبالتالي ، سيكون التوتر الكلي 98 + 26.7 = 124.7 نيوتن.
4. 4 لاحظ أن قوة السحب بسبب الجاذبية تتغير مع انتقال الحمل عبر القوس. كما هو مذكور أعلاه ، يتغير اتجاه وحجم قوة الطرد المركزي مع تأرجح الجسم. على أي حال ، على الرغم من أن قوة الجاذبية تظل ثابتة ، صافي قوة الشد بسبب الجاذبية يتغير أيضا. عندما يكون الكائن المتأرجح ليس عند أدنى نقطة من القوس (نقطة التوازن) ، تسحبه الجاذبية لأسفل ، لكن قوة السحب تسحبه لأعلى بزاوية. لهذا السبب ، يجب أن تقاوم قوة السحب جزءًا من قوة الجاذبية ، وليس كليًا.
   • يمكن أن يساعدك تقسيم قوة الجاذبية إلى متجهين على تصور هذه الحالة. في أي نقطة في قوس جسم يتأرجح رأسياً ، يصنع الحبل زاوية "θ" بخط يمر عبر نقطة التوازن ومركز الدوران. بمجرد أن يبدأ البندول في التأرجح ، تنقسم قوة الجاذبية (m × g) إلى متجهين - mgsin (θ) ، تعمل بشكل عرضي للقوس في اتجاه نقطة التوازن و mgcos (θ) ، وتعمل بالتوازي مع التوتر القوة ، ولكن في الاتجاه المعاكس. يمكن أن يقاوم التوتر فقط mgcos () - القوة الموجهة ضده - وليس كل قوة الجاذبية (باستثناء نقطة التوازن ، حيث تكون جميع القوى متساوية).
   • لنفترض أنه عندما يميل البندول بمقدار 15 درجة عن الرأسي ، فإنه يتحرك بسرعة 1.5 م / ث. سنجد قوة الشد من خلال الإجراءات التالية:
     • نسبة قوة السحب إلى قوة الجاذبية (T_ز) = 98 كوز (15) = 98 (0.96) = 94.08 نيوتن
     • قوة الطرد المركزي (F_ج) = 10 × 1.5 / 1.5 = 10 × 1.5 = 15 نيوتن
     • التوتر الكامل = T._ز + ف_ج = 94,08 + 15 = 109.08 نيوتن.
5. 5 احسب الاحتكاك. أي جسم يتم سحبه بواسطة الحبل ويواجه قوة "فرملة" من احتكاك جسم آخر (أو سائل) ينقل هذا التأثير إلى الشد في الحبل. تُحسب قوة الاحتكاك بين جسمين بنفس الطريقة كما في أي موقف آخر - باستخدام المعادلة التالية: قوة الاحتكاك (تُكتب عادةً كـ F_ص) = (mu) N ، حيث mu هي معامل قوة الاحتكاك بين الأشياء و N هي القوة المعتادة للتفاعل بين الأشياء ، أو القوة التي يضغطون بها على بعضهم البعض. لاحظ أن الاحتكاك في حالة السكون - الاحتكاك الذي يحدث نتيجة لمحاولة جعل جسم ما في حالة سكون في الحركة - يختلف عن احتكاك الحركة - الاحتكاك الناتج عن محاولة إجبار جسم متحرك على الاستمرار في الحركة.
   • لنفترض أن حمولتنا البالغة 10 كجم لم تعد تتأرجح ، والآن يتم سحبها أفقيًا بحبل. افترض أن معامل الاحتكاك لحركة الأرض هو 0.5 وأن حملنا يتحرك بسرعة ثابتة ، لكننا نحتاج إلى تسريعها بمقدار 1 م / ث. تقدم هذه المسألة تغييرين مهمين - أولاً ، لم نعد بحاجة إلى حساب قوة الشد بالنسبة للجاذبية ، لأن حبلنا لا يدعم الوزن. ثانيًا ، علينا حساب الشد الناتج عن الاحتكاك وكذلك بسبب تسارع كتلة الحمل. نحن بحاجة إلى أن نقرر ما يلي:
     • القوة العادية (N) = 10 كجم × 9.8 (التسارع بالجاذبية) = 98 نيوتن
     • قوة الحركة الاحتكاكية (F_ص) = 0.5 × 98 نيوتن = 49 نيوتن
     • قوة التسارع (F_أ) = 10 كجم × 1 م / ث = 10 نيوتن
     • التوتر الكلي = F_ص + ف_أ = 49 + 10 = 59 نيوتن.

الطريقة 2 من 2: حساب قوة الشد على خيوط متعددة

1. 1 ارفع الأوزان المتوازية الرأسية بواسطة بكرة. الكتل عبارة عن آليات بسيطة تتكون من قرص معلق يسمح بعكس اتجاه قوة سحب الحبل. في تكوين كتلة بسيط ، يمتد الحبل أو الكبل من الحمل المعلق حتى الكتلة ، ثم نزولًا إلى حمولة أخرى ، مما يؤدي إلى إنشاء قسمين من الحبل أو الكابل. على أي حال ، سيكون التوتر في كل قسم هو نفسه ، حتى لو تم سحب كلا الطرفين بواسطة قوى ذات مقادير مختلفة. بالنسبة لنظام من كتلتين معلق عموديًا في كتلة ، تكون قوة الشد 2 جم (م₁) (م₂) / (م₂+ م₁) ، حيث "g" هي تسارع الجاذبية ، "m₁"هي كتلة الجسم الأول" م₂»هي كتلة الجسم الثاني.
   • لاحظ ما يلي ، المشاكل الجسدية تفترض ذلك الكتل مثالية - ليس لها كتلة ، احتكاك ، لا تنكسر ، لا تشوه ولا تنفصل عن الحبل الذي يدعمها.
   • لنفترض أن لدينا أثنين معلقين رأسيًا عند الطرفين المتوازيين للحبل. كتلة واحدة 10 كجم ، والأخرى وزنها 5 كجم. في هذه الحالة ، نحتاج إلى حساب ما يلي:
     • T = 2 جم (م₁) (م₂) / (م₂+ م₁)
     • T = 2 (9.8) (10) (5) / (5 + 10)
     • T = 19.6 (50) / (15)
     • T = 980/15
     • تي = 65.33 نيوتن.
   • لاحظ أنه نظرًا لأن وزنًا واحدًا أثقل ، وكل العناصر الأخرى متساوية ، فإن هذا النظام سيبدأ في التسارع ، وبالتالي ، سيتحرك وزن 10 كجم للأسفل ، مما يجبر الوزن الثاني على الارتفاع.
2. 2 علق الأوزان باستخدام الكتل ذات الأوتار الرأسية غير المتوازية. غالبًا ما تستخدم الكتل لتوجيه قوة السحب في اتجاه آخر غير أعلى أو أسفل. على سبيل المثال ، إذا تم تعليق الحمل عموديًا من أحد طرفي الحبل ، وكان الطرف الآخر يحمل الحمل في مستوى قطري ، فإن نظام الكتل غير الموازي يتخذ شكل مثلث بزوايا عند نقاط مع الأول الحمل والثاني والكتلة نفسها. في هذه الحالة ، يعتمد شد الحبل على قوة الجاذبية وعلى مكون قوة السحب الموازية للجزء القطري من الحبل.
   • لنفترض أن لدينا نظامًا بحمل 10 كجم (م₁) ، معلقة عموديًا ، متصلة بحمولة 5 كجم (م₂) تقع على مستوى مائل 60 درجة (يُعتقد أن هذا المنحدر لا يسبب الاحتكاك). أسهل طريقة لإيجاد الشد في الحبل هي كتابة معادلات القوى التي تسرع الأوزان أولاً. بعد ذلك ، نتصرف على النحو التالي:
     • الحمل المعلق أثقل ، لا يوجد احتكاك ، لذلك نعلم أنه يتسارع للأسفل. يتم سحب شد الحبل لأعلى بحيث يتسارع بالنسبة للقوة المحصلة F = m₁(ز) - T ، أو 10 (9.8) - T = 98 - T.
     • نعلم أن الحمل على مستوى مائل يتسارع لأعلى. نظرًا لعدم وجود احتكاك به ، نعلم أن التوتر يسحب الحمل إلى أعلى المستوى ويسحبه لأسفل فقط وزنك. يُحسب عنصر القوة التي تسحب المائل لأسفل على أنه mgsin () ، لذلك في حالتنا يمكننا أن نستنتج أنها تتسارع فيما يتعلق بالقوة المحصلة F = T - m₂(ز) sin (60) = T - 5 (9.8) (0.87) = T - 42.14.
     • إذا قمنا بمساواة هاتين المعادلتين ، فسنحصل على 98 - T = T - 42.14. ابحث عن T واحصل على 2T = 140.14 ، أو T = 70.07 نيوتن.
3. 3 استخدم خيوط متعددة لتعليق الكائن. في الختام ، دعنا نتخيل أن الكائن معلق من نظام حبل على شكل Y - حبلين مثبتين في السقف ويلتقيان عند النقطة المركزية التي يأتي منها الحبل الثالث بحمل. قوة سحب الحبل الثالث واضحة - سحب بسيط بسبب الجاذبية أو m (g). تختلف التوترات على الحبلين الآخرين ويجب أن تضاف إلى قوة مساوية للجاذبية الصاعدة في الوضع الرأسي والصفر في كلا الاتجاهين الأفقيين ، بافتراض أن النظام في حالة سكون. يعتمد شد الحبل على وزن الأحمال المعلقة وعلى الزاوية التي ينحرف بها كل حبل عن السقف.
   • لنفترض أن الوزن السفلي في نظامنا على شكل حرف Y كتلته 10 كجم ومعلق بحبلين ، أحدهما على بعد 30 درجة من السقف والآخر 60 درجة. إذا احتجنا إلى إيجاد الشد في كل من الحبلين ، فعلينا حساب المكونين الأفقي والرأسي للشد. للعثور على T.₁ (شد الحبل ، ميله 30 درجة) و T₂ (الشد في ذلك الحبل ، ميله 60 درجة) ، عليك أن تقرر:
     • وفقًا لقوانين علم المثلثات ، العلاقة بين T = m (g) و T.₁ و ت₂ يساوي جيب تمام الزاوية بين كل من الحبال والسقف. بالنسبة إلى T.₁، كوس (30) = 0.87 ، بالنسبة إلى T.₂، كوس (60) = 0.5
     • اضرب الشد في الحبل السفلي (T = mg) في جيب تمام كل زاوية لإيجاد T₁ و ت₂.
     • تي₁ = 0.87 × م (ج) = 0.87 × 10 (9.8) = 85.26 نيوتن.
     • تي₂ = 0.5 × م (جم) = 0.5 × 10 (9.8) = 49 نيوتن.