Ursprung der Spannung
Zunächst bin ich verwirrt über die Definition und Idee von Spannung .
In meinem Physiklehrbuch ist die Idee der Spannung beispielsweise so geschrieben:
" Nehmen wir an, es gibt einen Draht mit einer Querschnittsfläche von A und seiner Länge$L_o$. Wenn ich den Draht an einem Punkt aufhänge und ein Gewicht von W am anderen Ende des Drahtes aufhänge , wird eine Abstoßungskraft von T erzeugt . Dieses T wird als Spannungskraft bezeichnet . ""
Für mich erklärt dies nur, welche Kraft wir Spannungskraft nennen werden, aber es erklärt mir nicht ganz, was genau diese Spannungskraft ist oder woher sie stammt. Außerdem habe ich Riemenscheibenprobleme (Herausfinden der Beschleunigung von an Riemenscheiben hängenden Gewichten) gelöst, indem ich zuerst alle Zugkräfte mit beschriftet habe$T_1$, $T_2$und dann ein bisschen Mathe mit ihnen machen, um meine Antwort zu bekommen. Aber es nervt mich, dass ich diese Spannungskraftwerte verwende, ohne zu wissen, woher sie kommen oder was sie sind.
Meine Idee war, vielleicht kommt die Spannungskraft von den intermolekularen Bindungen zwischen den Molekülen des Seils, des Gummis oder des Drahtes usw. Aber selbst dann habe ich einige unterschiedliche Situationsfragen. Zum Beispiel:
Warum kann man kein Seil oder Kupferdraht gegen eine Wand drücken?
Was passiert, wenn ich an zwei Enden eines Drahtes mit 2 verschiedenen Kräften ziehe?
Erhöht sich die Kraft proportional zur ausgeübten Kraft? Warum bricht der Draht, nachdem eine bestimmte Kraft überschritten wurde?
Gilt die Idee der Spannung für Alltagsgegenstände (z. B. eine Kaffeetasse, eine Glasscheibe usw.)? Wenn ja, kann ich so etwas wie eine Wärmekarte oder eine 3D-Gleichung verwenden, um die Spannung an jedem Punkt des Objekts zu beschreiben? [Bearbeiten: Genauer gesagt, gibt es eine mathematische Möglichkeit, die verschiedenen Spannungskräfte auf 2D- (wie ein Blech) und 3D-Objekten (wie ein Fußball) anstelle eines 1D-Objekts (wie eine Schnur) darzustellen].
Wenn ich einen metallischen Gegenstand wie eine Büroklammer oder einen dünnen Draht nehme. Ich kann es mehrmals biegen und es zerbricht schließlich in zwei Teile. Ich habe das gemacht, um Kondensatoren von alten Leiterplatten zu ziehen. Aber passiert es mit Dingen wie Seilen oder Papier? Wenn nicht, warum passiert es nicht? (Vielleicht hat es etwas mit intermolekularen Kräften und den verschiedenen inneren Spannungen zu tun?)
Nehmen wir an, ich habe eine Eisenstange und habe sie ins All geworfen. Hat dieser Eisenstab die gleiche Spannungsverteilung oder ist er immer noch ungleichmäßig oder wird die Spannung an allen Punkten Null? (Gibt es überhaupt keinen Stress?)
Antworten
Die Spannungskraft wie die Normalkraft ist nur ein Aspekt der zwischen Molekülen wirkenden elektromagnetischen Kräfte .
1 : Sie können nichts mit einem Seil schieben und wenn Sie dies versuchen, wird sich das Seil verbiegen. Warum ?
Nehmen wir zum besseren Verständnis ein Beispiel für Magnete. Wenn Sie ähnliche Pole näher und näher bringen, erfahren Sie eine immer größere Abstoßungskraft (weil die den Kern umgebenden Elektronenwolken sehr nahe kommen und die Coulomb-Kräfte zunehmen) . Möglicherweise haben Sie auch bemerkt, dass Sie, wenn Sie die gleichen Pole der Magnete näher bringen, die meiste Zeit wie unten gezeigt seitwärts gedrückt werden.
Genau das passiert in einem Seil. Wenn Sie versuchen, die Moleküle näher zusammenzudrücken, stoßen sich die Elektronenwolken nur mit geringeren Anziehungskräften vom Kern ab, und die Moleküle rutschen übereinander, und meistens biegt dieses Rutschen das Seil von den Seiten.
2 : Beim Ziehen mit zwei verschiedenen Kräften beschleunigt die Saite in Abhängigkeit von ihrer Masse in Richtung der Nettokraft.
3 : Ja, die Kraft nimmt in gewissem Maße proportional zur äußeren Kraft zu, und wenn Sie die äußere Kraft stärker erhöhen, können die intermolekularen Kräfte nicht entsprechend ansteigen.
Sie können die interne Struktur so visualisieren
Wenn Sie versuchen, sich zu verlängern, reagieren die intermolekularen Kräfte entsprechend, aber Sie wissen, dass selbst Federn deformiert werden, wenn Sie eine größere Kraft anwenden. Genau auf diese Weise können die intermolekularen Anziehungskräfte nicht entsprechend ansteigen und die Dinge (für Ihren Fall die Saiten) brechen.
4 : Was auch immer Sie um sich herum entweder als Feststoff oder als Flüssigkeit oder Gas sehen, alle stehen unter dem Einfluss elektromagnetischer Kräfte. Im Falle von Festkörpern können Moleküle komprimiert werden, jedoch nicht in großem Umfang (da sie bereits sehr nahe beieinander liegen), was Sie bemerken können (obwohl Sie die Kompression in einer bestimmten Art von Festkörpern bemerken können), und sie können nicht leicht sein durch Dehnung aufgrund dieser elektromagnetischen Kraft gebrochen oder verlängert. Flüssigkeiten können um eine größere Menge und Gase um die größte Menge komprimiert werden.
5 : Wenn Sie Büroklammern biegen, werden die Atome von dem Punkt getrennt, an dem Sie die Klammer biegen. Woher weiß ich das?
Möglicherweise haben Sie bemerkt, dass durch mehrmaliges Biegen zunächst das Ende eine stumpfe Farbe aufweist als andere Teile des Clips, und wenn Sie dies fortsetzen, bricht es schließlich . Die Mattheit der Farbe deutet darauf hin, dass die Atome getrennt werden und es weniger Atome gibt, um Photonen wieder zu emittieren. Wenn Sie den Clip entfalten, können sich die Atome nicht im gleichen früheren Muster neu anordnen, und auf diese Weise wird der Clip schwächer. Bei Seilen geschieht dies nicht, weil die Atome in den Seilen ihre ursprüngliche Position wiedererlangen und wir kaum eine Dehnung oder Mattheit bemerken. Diese Eigenschaft, die ursprüngliche Struktur wiederzugewinnen, hängt von der Art der Atome und dem Ausmaß der intermolekularen Kräfte ab.
Betrachten Sie die Bilder unten
Hinweis : Hier wird das Bild der intermolekularen Struktur aufgenommen . Die obigen zwei Bilder sind stark übertrieben und die Atome befinden sich in unmittelbarer Nähe zueinander.
Hoffe es hilft 🙂.
Eine vereinfachte Erklärung lautet wie folgt. Wenn zwei Moleküle in einiger Entfernung voneinander liegen, gibt es einige Anziehungskräfte zwischen ihnen, die über die Abstoßungskräfte dominieren. Je näher sie kommen, desto stärker werden die Abstoßungskräfte, bis in einem kritischen Abstand die Kräfte ausgeglichen sind.
Wenn die Schnur auf dem Boden liegt, befindet sie sich im Gleichgewicht, weil sich die anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen ihren Molekülen gegenseitig ausgleichen. Wenn wir die Saite straff ziehen, ziehen wir ihre Moleküle tatsächlich leicht auseinander, wodurch die Abstoßungskräfte verringert werden, weshalb in der Saite eine Nettokraft nach innen entsteht. Wenn wir die Kraft weiter erhöhen, wird es einen Punkt geben, an dem die Abstoßungskräfte vernachlässigbar sind. Jetzt können die Anziehungskräfte nicht weiter zunehmen, und nach diesem Punkt reißt die Saite.
Wenn eine Schnur mit zwei verschiedenen Kräften gezogen wird, sagen wir $10N$ von links und $2N$ von rechts, und seine Masse ist $1kg$, dann wird es mit nach links beschleunigen $8 m/s$. Die Spannung steigt linear ab$2N$ am linken Ende zu $8N$ am rechten Ende.
Die molekulare Struktur von Saiten ist so, dass sie nur in eine Richtung Spannung erzeugen können. Alltägliche feste Gegenstände wie Glas zeigen auch Zug- und Druckkräfte.
Gesamtspannung ist eine Körperreaktionskraft zu einem gewissen stimulierenden Kraft (Gewicht, Ziehen, extern, usw.) und ist ein spezifischer Fall eines allgemeineren Körperspannungsvektorfeld , wie:
Und ja, die Spannung steigt proportional zur ausgeübten Kraft. Materialien brechen, wenn der auf sie ausgeübte Druck die Zugfestigkeit überschreitet / erreicht , gemessen in$\text{Pa}$ ::
Im obigen Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist dies ein Extrempunkt (1).