Contenuto

• Passi
• Metodo 1 di 2: Determinazione della forza di trazione su un singolo trefolo
• Metodo 2 di 2: Calcolo della forza di trazione su più trefoli

In fisica, una forza di trazione è una forza che agisce su una corda, un cavo, un cavo o un oggetto simile o un gruppo di oggetti. Tutto ciò che è tirato, sospeso, sostenuto o fatto oscillare da una fune, una corda, un cavo e così via, è soggetto a una forza di trazione. Come tutte le forze, la tensione può accelerare gli oggetti o provocarne la deformazione.La capacità di calcolare la forza di trazione è un'abilità importante non solo per gli studenti di fisica, ma anche per ingegneri, architetti; Chi costruisce case stabili ha bisogno di sapere se una particolare corda o cavo resisterà alla forza di trazione del peso dell'oggetto in modo che non si pieghi o collassi. Inizia a leggere l'articolo per imparare a calcolare la forza di trazione in alcuni sistemi fisici.

Passi

Metodo 1 di 2: Determinazione della forza di trazione su un singolo trefolo

1. 1 Determinare le forze a ciascuna estremità del filo. La forza di trazione di un dato filo, corda, è il risultato delle forze che tirano la corda a ciascuna estremità. Vi ricordiamo forza = massa × accelerazione... Supponendo che la fune sia tesa, qualsiasi variazione dell'accelerazione o della massa di un oggetto sospeso alla fune modificherà la tensione della fune stessa. Non dimenticare l'accelerazione costante della gravità: anche se il sistema è fermo, i suoi componenti sono oggetti dell'azione della gravità. Possiamo assumere che la forza di trazione di una data fune sia T = (m × g) + (m × a), dove “g” è l'accelerazione di gravità di uno qualsiasi degli oggetti supportati dalla fune, e “a” è qualsiasi altra accelerazione, agente sugli oggetti.
   • Per risolvere molti problemi fisici, assumiamo corda perfetta - in altre parole, la nostra corda è sottile, non ha massa e non può allungarsi o spezzarsi.
   • A titolo di esempio, consideriamo un sistema in cui un carico è sospeso ad una trave di legno mediante un'unica fune (vedi immagine). Né il carico stesso né la fune si muovono: il sistema è fermo. Di conseguenza, sappiamo che affinché il carico sia in equilibrio, la forza di trazione deve essere uguale alla forza di gravità. In altre parole, Forza di trazione (F_T) = Gravità (F_G) = m × g.
     • Supponiamo che il carico abbia una massa di 10 kg, quindi la forza di trazione è 10 kg × 9,8 m / s = 98 Newton.
2. 2 Considera l'accelerazione. La gravità non è l'unica forza che può influenzare la forza di trazione di una fune: qualsiasi forza applicata a un oggetto sulla fune con accelerazione produce lo stesso effetto. Se, ad esempio, un oggetto sospeso a una fune o cavo viene accelerato da una forza, la forza di accelerazione (massa × accelerazione) viene aggiunta alla forza di trazione generata dal peso di quell'oggetto.
   • Supponiamo, nel nostro esempio, che un peso di 10 kg sia sospeso su una fune, e invece di essere attaccato a una trave di legno, venga tirato verso l'alto con un'accelerazione di 1 m/s. In questo caso, dobbiamo tenere conto dell'accelerazione del carico, nonché dell'accelerazione di gravità, come segue:
     • F_T = F_G + m × a
     • F_T = 98 + 10 kg × 1 m/s
     • F_T = 108 Newton.
3. 3 Considera l'accelerazione angolare. Un oggetto su una fune che ruota attorno a un punto considerato il centro (come un pendolo) esercita una tensione sulla fune attraverso la forza centrifuga. La forza centrifuga è la forza di trazione aggiuntiva che la fune crea “spingendola” verso l'interno in modo che il carico continui a muoversi in un arco anziché in linea retta. Più velocemente l'oggetto si muove, maggiore è la forza centrifuga. Forza centrifuga (F_C) è uguale a m × v / r dove "m" è la massa, "v" è la velocità e "r" è il raggio del cerchio lungo il quale si muove il carico.
   • Poiché la direzione e il valore della forza centrifuga cambia a seconda di come l'oggetto si muove e cambia la sua velocità, la tensione totale sulla fune è sempre parallela alla fune nel punto centrale. Ricorda che la forza di gravità agisce costantemente sull'oggetto e lo tira verso il basso. Quindi se l'oggetto oscilla verticalmente, piena tensione il più forte nel punto più basso dell'arco (per un pendolo questo è chiamato punto di equilibrio), quando l'oggetto raggiunge la sua velocità massima, e il più debole nella parte superiore dell'arco mentre l'oggetto rallenta.
   • Supponiamo che nel nostro esempio, l'oggetto non stia più accelerando verso l'alto, ma oscilli come un pendolo. Lascia che la nostra fune sia lunga 1,5 m e il nostro carico si muova a una velocità di 2 m / s, quando passa attraverso il punto più basso dell'altalena.Se abbiamo bisogno di calcolare la forza di tensione nel punto più basso dell'arco, quando è massima, prima dobbiamo scoprire se il carico sta vivendo la stessa pressione di gravità in questo punto, come nello stato di riposo - 98 Newton. Per trovare una forza centrifuga aggiuntiva, dobbiamo risolvere quanto segue:
     • F_C = m × v / r
     • F_C = 10 × 2/1.5
     • F_C = 10 × 2,67 = 26,7 Newton.
     • Quindi, la tensione totale sarà 98 + 26,7 = 124,7 Newton.
4. 4 Notare che la forza di trazione dovuta alla gravità cambia mentre il carico viaggia attraverso l'arco. Come notato sopra, la direzione e l'intensità della forza centrifuga cambiano quando l'oggetto oscilla. In ogni caso, sebbene la forza di gravità rimanga costante, forza di trazione netta dovuta alla gravità cambia anche. Quando l'oggetto oscillante è non nel punto più basso dell'arco (punto di equilibrio), la gravità lo tira verso il basso, ma la forza di trazione lo tira su di un angolo. Per questo motivo, la forza di trazione deve resistere a parte della forza di gravità, e non alla sua totalità.
   • Dividere la forza di gravità in due vettori può aiutarti a visualizzare questo stato. In qualsiasi punto dell'arco di un oggetto oscillante verticalmente, la fune forma un angolo "θ" con una linea che passa per il punto di equilibrio e il centro di rotazione. Non appena il pendolo inizia a oscillare, la forza gravitazionale (m × g) viene divisa in 2 vettori: mgsin (θ), che agisce tangenzialmente all'arco nella direzione del punto di equilibrio e mgcos (θ), che agisce parallelamente alla tensione forza, ma nella direzione opposta. La tensione può resistere solo a mgcos (θ) - la forza diretta contro di essa - non a tutta la forza gravitazionale (eccetto per il punto di equilibrio, dove tutte le forze sono uguali).
   • Supponiamo che quando il pendolo è inclinato di 15 gradi rispetto alla verticale, si muova a una velocità di 1,5 m/s. Troveremo la forza di trazione con le seguenti azioni:
     • Il rapporto tra la forza di trazione e la forza gravitazionale (T_G) = 98cos (15) = 98 (0,96) = 94,08 Newton
     • Forza centrifuga (F_C) = 10 × 1,5 / 1,5 = 10 × 1,5 = 15 Newton
     • Piena tensione = T_G + Fa_C = 94,08 + 15 = 109,08 Newton.
5. 5 Calcola l'attrito. Qualsiasi oggetto che viene tirato dalla fune e subisce una forza "frenante" dall'attrito di un altro oggetto (o fluido) trasferisce questo effetto alla tensione nella fune. La forza di attrito tra due oggetti viene calcolata allo stesso modo di qualsiasi altra situazione, utilizzando la seguente equazione: Forza di attrito (di solito scritta come F_R) = (mu) N, dove mu è il coefficiente della forza di attrito tra gli oggetti e N è la normale forza di interazione tra gli oggetti, ovvero la forza con cui si premono l'uno sull'altro. Nota che l'attrito a riposo - l'attrito che si verifica come risultato del tentativo di mettere in movimento un oggetto fermo - è diverso dall'attrito del movimento - l'attrito che deriva dal tentativo di forzare un oggetto in movimento a continuare a muoversi.
   • Supponiamo che il nostro carico di 10 kg non oscilli più, ora viene trainato orizzontalmente con una fune. Supponiamo che il coefficiente di attrito del movimento della terra sia 0,5 e che il nostro carico si muova a velocità costante, ma dobbiamo dargli un'accelerazione di 1 m / s. Questo problema introduce due importanti cambiamenti: in primo luogo, non abbiamo più bisogno di calcolare la forza di trazione in relazione alla gravità, poiché la nostra corda non supporta il peso. In secondo luogo, dovremo calcolare la tensione dovuta all'attrito oltre che all'accelerazione della massa del carico. Dobbiamo decidere quanto segue:
     • Forza ordinaria (N) = 10 kg e × 9,8 (accelerazione per gravità) = 98 N
     • Forza di attrito del movimento (F_R) = 0,5 × 98 N = 49 Newton
     • Forza di accelerazione (F_un) = 10 kg × 1 m/s = 10 Newton
     • Tensione totale = F_R + Fa_un = 49 + 10 = 59 Newton.

Metodo 2 di 2: Calcolo della forza di trazione su più trefoli

1. 1 Sollevare pesi paralleli verticali con una puleggia. I bozzelli sono semplici meccanismi costituiti da un disco sospeso che permette di invertire la direzione della forza di trazione della fune. In una configurazione a blocco semplice, la fune o cavo corre dal carico sospeso fino al blocco, quindi giù ad un altro carico, creando così due tratti di fune o cavo. In ogni caso, la tensione in ciascuna delle sezioni sarà la stessa, anche se entrambe le estremità sono tirate da forze di diversa grandezza. Per un sistema di due masse sospese verticalmente in un blocco, la forza di trazione è 2g (m₁) (m₂) / (m₂+ m₁), dove "g" è l'accelerazione di gravità, "m₁"È la massa del primo oggetto", m₂»È la massa del secondo oggetto.
   • Nota quanto segue, i problemi fisici presuppongono che i blocchi sono perfetti - non hanno massa, attrito, non si rompono, non si deformano e non si separano dalla fune che li sostiene.
   • Supponiamo di avere due pesi sospesi verticalmente alle estremità parallele della fune. Un carico ha una massa di 10 kg e l'altro ha un peso di 5 kg. In questo caso, dobbiamo calcolare quanto segue:
     • T = 2g (m₁) (m₂) / (m₂+ m₁)
     • T = 2 (9,8) (10) (5) / (5 + 10)
     • T = 19,6 (50) / (15)
     • T = 980/15
     • T = 65,33 Newton.
   • Si noti che, poiché un peso è più pesante, tutti gli altri elementi sono uguali, questo sistema inizierà ad accelerare, quindi un peso di 10 kg si sposterà verso il basso, costringendo il secondo peso a salire.
2. 2 Sospendere i pesi utilizzando blocchi con corde verticali non parallele. I blocchi sono spesso usati per dirigere la forza di trazione in una direzione diversa dall'alto o dal basso. Se, ad esempio, un carico è sospeso verticalmente da un'estremità della fune e l'altra estremità tiene il carico in un piano diagonale, il sistema di blocchi non paralleli assume la forma di un triangolo con angoli nei punti con il primo carico, il secondo e il blocco stesso. In questo caso la tensione della fune dipende sia dalla forza di gravità che dalla componente della forza di trazione, che è parallela alla parte diagonale della fune.
   • Supponiamo di avere un sistema con un carico di 10 kg (m₁), sospeso in verticale, collegato ad un carico di 5 kg (m₂) situato su un piano inclinato di 60 gradi (si ritiene che questa pendenza non dia attrito). Per trovare la tensione nella fune, il modo più semplice è scrivere prima le equazioni per le forze che accelerano i pesi. Successivamente, agiamo in questo modo:
     • Il carico sospeso è più pesante, non c'è attrito, quindi sappiamo che sta accelerando verso il basso. La tensione nella fune tende verso l'alto in modo che acceleri rispetto alla forza risultante F = m₁(g) - T, o 10 (9,8) - T = 98 - T.
     • Sappiamo che un carico su un piano inclinato accelera verso l'alto. Poiché non ha attrito, sappiamo che la tensione tira il carico su l'aereo e lo tira giù solo il tuo stesso peso. La componente della forza che tira verso il basso quella inclinata è calcolata come mgsin (θ), quindi nel nostro caso possiamo concludere che sta accelerando rispetto alla forza risultante F = T - m₂(g) sin (60) = T - 5 (9,8) (0,87) = T - 42,14.
     • Se identifichiamo queste due equazioni, otteniamo 98 - T = T - 42,14. Trova T e ottieni 2T = 140,14, o T = 70,07 Newton.
3. 3 Usa più fili per appendere l'oggetto. Per concludere, immaginiamo che l'oggetto sia sospeso da un sistema di funi a "Y": due funi sono fissate al soffitto e si incontrano nel punto centrale da cui proviene la terza fune con un carico. La forza di trazione della terza corda è ovvia: una semplice trazione dovuta alla gravità o m (g). Le tensioni sulle altre due funi sono diverse e dovrebbero sommarsi ad una forza pari alla gravità verso l'alto in posizione verticale e nulla in entrambe le direzioni orizzontali, supponendo che il sistema sia fermo. La tensione della fune dipende dal peso dei carichi sospesi e dall'angolo di flessione di ciascuna fune dal soffitto.
   • Supponiamo che nel nostro sistema a Y, il peso inferiore abbia una massa di 10 kg e sia sospeso da due funi, una delle quali è a 30 gradi dal soffitto e l'altra a 60 gradi. Se dobbiamo trovare la tensione in ciascuna delle funi, dobbiamo calcolare le componenti orizzontale e verticale della tensione. Per trovare T₁ (tensione della fune, la cui pendenza è di 30 gradi) e T₂ (tensione in quella corda, la cui pendenza è di 60 gradi), devi decidere:
     • Secondo le leggi della trigonometria, la relazione tra T = m (g) e T₁ e T₂ uguale al coseno dell'angolo tra ciascuna delle funi e il soffitto. Per T₁, cos (30) = 0,87, come per T₂, cos (60) = 0,5
     • Moltiplica la tensione nella fune inferiore (T = mg) per il coseno di ciascun angolo per trovare T₁ e T₂.
     • T₁ = 0,87 × m (g) = 0,87 × 10 (9,8) = 85,26 Newton.
     • T₂ = 0,5 × m (g) = 0,5 × 10 (9,8) = 49 Newton.