HodTari.com

Sådan beregnes spænding i fysik

I Fysik er spænding den kraft, der udøves af et reb, wire, kabel eller en lignende genstand på en eller flere genstande. Alt, der hænger, trækkes eller suspenderes af et reb, kabel, wire osv. er underlagt spænding. Som enhver kraft kan spændingen accelerere objekter eller forårsage deformation. Vide, hvordan man beregner den spænding er en vigtig færdighed, ikke kun for fysikstuderende, men også for ingeniører og arkitekter for at sikre sikkerheden for deres bygninger, bør vide, hvis spændingen i et reb eller kabel kan modstå belastningen forårsaget af objektet vægt før at give og at bryde. Følg trin 1 for at lære at beregne spændingen på tværs af forskellige systemer i fysikken.

trin

Metode 1
Bestemmelse af spænding på en enkelt ledning

Video: Jævnstrøm - DC - Batteristørrelser: spænding, amperetimer og energi - af Joe El.

Billedbetegnelse Beregn spænding i fysik Trin 1
1
Sæt styrkerne på begge sider af rebet. Spændingen i et reb er resultatet af kræfter, der trækker tovet på begge sider. Bare for at angive, "kraft = masse × acceleration". Ud fra følgende betragtninger rebet strækkes stramt, vil enhver ændring i acceleration eller massen af ​​de objekter, der understøttes af rebet medføre en ændring i spænding. Glem ikke den konstante acceleration på grund af tyngdekraften: selvom et system er i ligevægt, er dets komponenter underlagt denne kraft. Vi kan tænke på spændingen i et reb som T = (m x g) + (m × a), hvor "g" er tyngdeaccelerationen på objekt trukket af rebet og "a" er enhver acceleration på de samme objekter.
  • I Fysik betragter vi i de fleste problemer en "ideel tråd". Vores reb er med andre ord tyndt, uden masse og strækker sig ikke eller går i stykker.
  • Som eksempel vil vi overveje et system, hvor vægten suspenderes af en træstråle gennem et enkelt reb (se figur). Hverken vægt eller reb er i bevægelse: systemet er i ligevægt. Vi ved, at for den vægt, der skal opretholdes i ligevægt, skal trækstyrken være lig med tyngdekraften i vægt. Med andre ord spænding (Ft) = Tyngdekraft (Fg) = m × g.
    • I betragtning af en vægt på 10 kg er trækstyrken 10 kg × 9,8 m / s2 = 98 Newtons.
  • Billedbetegnelse Beregn spænding i fysik Trin 2
    2
    Overvej acceleration. Gravity er ikke den eneste kraft, der påvirker spændingen af ​​et reb. Enhver accelerationskraft relateret til objektet, der er fastgjort til rebet, interfererer med resultatet. Hvis for eksempel en suspenderet genstand accelereres af en kraft på strengen, tilføjes accelerationskraften (masse × acceleration) til spændingen forårsaget af objektets vægt.
    • Lad os sige, at i dette eksempel 10 kg vægt suspenderet af et reb, snarere end at blive fastgjort på en træbjælke, idet rebet brugt til at hæve denne vægt til en acceleration på 1 m / s2. I dette tilfælde skal vi overveje accelerationen af ​​vægt såvel som tyngdekraftens kraft, som følger:
      • Ft = Fg + m × a
      • Ft = 98 + 10 kg × 1 m / s2
      • Ft = 108 Newtons.
  • Billedbetegnelse Beregn spænding i fysik Trin 3
    3
    Overvej rotationsaccelerationen. Et objekt, der roterer rundt om sit centrale punkt gennem et reb (som et pendul) udøver deformation i tovet, fremkaldt af centripetalkraften. Centripetalkraften er den ekstra trækkraft, som tovet udøver ved at trække objektet mod midten. Således forbliver genstanden i buebevægelse, ikke i en lige linje. Jo hurtigere objektet bevæger sig, desto større er centripetalkraften. Centripetal force (Fc) er lig med m × v2/ R hvor "m" er masse, "v" er hastighed og "r" er radius af cirklen, der indeholder den bue, hvor objektet bevæger sig.
    • Da retningen og størrelsen af ​​de centripetalkraft ændringer som objektet suspenderet af et reb flytter og ændrer hastighed, ændres også den samlede spænding i strengen, som altid virker i retningen defineret af tråden, med retning til centrum. Husk altid, at tyngdekraften virker konstant på genstanden ved at trække den ned. Så hvis en genstand roterer eller skalerer vertikalt, den samlede spænding er større i den nederste del af buen (for et pendul, dette kaldes ligevægtspunktet), når objektet bevæger sig hurtigere og sænke toppen af ​​buen, når bevæger sig langsomt.
    • Lad os sige, at vores objekt i vores eksempelproblem ikke længere bliver accelereret opad, men oscillerende som et pendul. Dette reb er 1,5 meter, og vægten bevæger sig ved 2 m / s, når den passerer gennem det laveste punkt i dets bane. Hvis vi ønsker at beregne spændingen ved det laveste punkt i buen (når den når den højeste værdi), første, må vi erkende, at stress på grund af tyngdekraften, dette punkt er den samme, som da vægten blev suspenderet uden bevægelse: 98 Newton. For at finde den ekstra centripetale kraft, ville vi løse som følger:
      • Fc = m × v2/ r
      • Fc = 10 × 22/1.5
      • Fc = 10 × 2,67 = 26,7 Newtons.
      • Så vores samlede spænding ville være 98 + 26,7 = 124,7 Newtons.
  • Billedbetegnelse Beregn spænding i fysik Trin 4
    4

    Video: Elektricitet - Serie og parallelforbindelser



    Bemærk, at stresset på grund af tyngdekraften ændres gennem buen dannet af objektets bevægelse. Som det var sagt ovenfor, begge retninger, når størrelsen af ​​centripetalkraften ændres, når objektet bevæger sig i dets bane. Selvom tyngdekraften forbliver konstant, ændrer den "resulterende tyngdekraft" også. Når en genstand ikke ligger på det laveste punkt af sin bue (dens ligevægt) trækker tyngdekraften den direkte nedad, men spændingen trækker den opad og danner en vis vinkel. På grund af dette skal spændingen kun neutralisere en del af tyngdekraften, ikke dens totalitet.
    • At splitte gravitationsstyrken i to vektorer kan hjælpe dig med at visualisere et sådant koncept. På ethvert punkt af buen af ​​et objekt svinge vertikalt, rebet danner en vinkel θ med den linje af ligevægtspunkt og centrum omdrejningspunktet. Som pendulet svinger, tyngdekraften (g × m) kan opdeles i to vektorer: mgsen (θ) - virkende tangerer bue mod punktet equilíbrio- mgcos (θ), der virker parallelt med trækkraften i den modsatte retning . Spændingerne at neutralisere mgcos (Ø), den kraft, der trækker i den modsatte retning, og ikke den samlede tyngdekraften (undtagen i ligevægtspunktet når de to kræfter er ens).
    • Lad os sige, at når vores pendul danner en vinkel på 15 grader med lodret, bevæger den sig ved 1,5 m / s. Vi finder spændingen som følge af disse trin:
      • Spænding på grund af tyngdekraften (Tg) = 98cos (15) = 98 (0.96) = 94.08 Newtons
      • Centripetal force (Fc) = 10 × 1,52/ 1,5 = 10 × 1,5 = 15 Newtons
      • Total spænding = Tg + Fc = 94,08 + 15 = 109,08 Newtons.

  • Video: Spændingsdeling - af Joe El.

    Video: Beregning af modstande i parallel

    Billedbetegnelse Beregn spænding i fysik Trin 5
    5
    Beregn friktionen. Ethvert objekt, der trækkes af et reb, der har en modstandskraft, der frembringes ved friktion af et objekt mod en anden (eller væske), overfører denne kraft til spændingen i reb. Friktionskraften mellem to objekter beregnes som i enhver anden situation - efter denne ligning: Force på grund af friktion (normalt repræsenteret af Fved) = (μ) N, hvor μ er friktionskoefficienten mellem to objekter, og N er den normale kraft mellem to objekter eller den kraft, de udøver på hinanden. Bemærk, at statisk friktion, resultatet af forsøg på at placere et statisk objekt i bevægelse, adskiller sig fra den dynamiske friktion som følge af forsøget på at holde et objekt i bevægelse.
    • Lad os sige, at vores vægt på 10 kg ikke længere svækkes, men trækkes vandret langs en flad overflade af vores reb. I betragtning af at overfladen har en dynamisk friktionskoefficient på 0,5, og vores vægt bevæger sig konstant, vil vi gerne accelerere den til 1 m / s2. Dette nye problem præsenterer to vigtige ændringer: For det første er vi ikke længere nødt til at beregne spændingen på grund af tyngdekraften, fordi vægten ikke suspenderes af reb. For det andet skal vi beregne den belastning, der er forårsaget af friktionen, såvel som den der skyldes accelerationen af ​​vægten af ​​denne vægt. Vi skal løse som følger:
      • Normal kraft (N) = 10 kg × 9,8 (tyngdeacceleration) = 98 N
      • Dynamisk friktionskraft (Fatd) = 0,5 × 98 N = 49 Newtons
      • Accelerationskraft (Fden) = 10 kg × 1 m / s2 = 10 Newtons
      • Total spænding = Fatd + Fden = 49 + 10 = 59 Newtons.

    • Metode 2
    Beregning af spændingen i flere strenge

    Billedbetegnelse Beregn spænding i fysik Trin 6
    1
    Træk ophængte belastninger oprejst og parallelt med en remskive. Remskiver er enkle maskiner, som består af en ophængt skive, der gør det muligt for spændingens kraft at ændre retning. I en enkel konfiguration trisse, rebet eller kabel løbe gennem skiven, med vægte knyttet til sine to ender, hvilket skaber to segmenter af snor eller ledning. Spændingen i begge ender af tovet er dog ens, selv om de trækkes af kræfter med forskellige størrelser. I et system med to masser suspenderet af en lodret trisse er spændingen lig med 2g (m1) (m2) / (m2+m1), hvor "g" er accelerationen af ​​tyngdekraften "m1"er massen af ​​objekt 1 og" m2"er objektets masse 2.
    • Bemærk, at fysikproblemer generelt overvejer "ideelle remskiver": ingen masse, ingen friktion, som ikke kan bryde, deformere eller løsne fra det hængende loft eller reb.
    • Lad os sige, at vi har to vægte lodret afskåret fra en remskive af parallelle reb. Vægt 1 har en masse på 10 kg, mens vægt 2 har en masse på 5 kg. I dette tilfælde vil vi finde spændinger som denne:
      • T = 2 g (m1) (m2) / (m2+m1)
      • T = 2 (9,8) (10) (5) / (5 + 10)
      • T = 19,6 (50) / (15)
      • T = 980/15
      • T = 65.33 Newton.
    • Bemærk, at fordi en vægt er tungere end en anden og alle andre ting svarer, vil dette system accelerere, med vægten på 10 kg bevæger sig nedad og vægten på 5 kg bevæger sig opad.
  • 2
    Udfør beregninger for belastninger suspenderet af en remskive med ikke-parallelle lodrette tovværk. Remskiver bruges ofte til at styre spændingen i en retning, snarere end op eller ned. Hvis for eksempel en vægt ophængt vertikalt i den ene ende af tovet, medens den anden ende er forbundet med en anden vægt på en diagonal gradient, ikke parallelle remskivesystem antager form af en trekant med punkter i det første og andet vægt og remskive. I dette tilfælde er spændingen i ledningen påvirket af både vægten tyngdekraften når kraften komponent, der er parallel med diagonale del af rebet.
    • Lad os sige, at vi har et system med en vægt på 10 kg (m1) ophængt lodret og forbundet via en remskive til en vægt på 5 kg (m2) på en 60 graders rampe (forudsat rampen har ingen friktion). For at finde spændingen i strengen er det lettere at finde ligningerne for de kræfter, der accelererer vægten først. Følg disse trin:
      • Den suspenderede vægt er tungere, og vi overvejer ikke friktionen - så vi ved, at det vil accelerere ned. Selvom spændingen i tovet trækker vægten opad, accelereres systemet på grund af den resulterende kraft F = m1(g) -T eller 10 (9,8) -T = 98-T.
      • Vi ved, at vægten på rampen vil accelerere op ad rampen. Da rampen ikke har friktion, ved vi, at spændingen trækker den op ad rampen og "kun" sin egen vægt trækker den ned. Den del af den kraft, der trækker ned er givet ved mgsen (θ), og derefter, i vores tilfælde, vi kan ikke sige, at fremskynder rampen på grund af den resulterende kraft F = T - m2(g) synd (60) = T-5 (9,8) (0,87) = T = 42,14.
      • Accelerationen af ​​de to vægte er ækvivalent. Således har vi (98 - T) / m1 = (T = 42,63) / m2. Efter et trivielt arbejde for at løse ligningen kommer vi frem til resultatet af T = 60,96 Newton.
  • Billedbetegnelse Beregn spænding i fysik Trin 8
    3
    Overvej flere strenge, når du løfter en vægt. Lad os endelig overveje et objekt, der er suspenderet til et system af strenge i form af en Y: to strenge fastgjort til loftet, som er placeret på et centralt punkt, hvor en vægt er suspenderet af en tredje streng. Spændingen i den tredje streng er åbenlys: det er simpelthen spændingen som følge af gravitationsstyrken eller m (g). De resulterende spændinger i de to andre akkorder er forskellige og skal have summen svarende til gravitationsstyrken med lodret retning opad og nul i begge vandrette retninger, forudsat at systemet er i ligevægt. Spændingen i strængerne påvirkes af både det suspenderede objekts masse og den vinkel, hvor hver streng er i loftet.
    • Lad os sige, at i vores Y-formede system har den lavere vægt en masse på 10 kg, og de to øverste strenge er i loftet i en vinkel på henholdsvis 30 og 60 grader. Hvis vi vil finde spændingen i hver af de øverste strenge, skal vi overveje de vertikale og vandrette komponenter af hver spænding. I dette eksempel er de to strenge imidlertid vinkelret på hinanden, hvilket letter beregningen i overensstemmelse med definitionerne af de trigonometriske funktioner, der følger:
      • Forholdet mellem T = m (g) og T1 eller T2 og T = m (g) er lig med vinkelen af ​​vinklen mellem hvert støttetov og loftet. For t1, sinus (30) = 0,5, og for T2, sinus (60) = 0,87
      • Multiplicér spændingen i den nedre streng (T = mg) gennem sinusen af ​​hver vinkel for at finde T1 og T2.
      • T1 = 5 × m (g) = 5 × 10 (9,8) = 49 Newtons.
      • T1 = 87 × m (g) = 87 × 10 (9,8) = 85,26 Newton.
    • Del på sociale netværk:

    Relaterede
    © 2024 HodTari.com