Origini della tensione
Prima di tutto, ho una confusione sulla definizione e l'idea di tensione .
Ad esempio, nel mio libro di testo di fisica, l'idea di tensione è scritta così:
" Diciamo che c'è un filo con un'area della sezione trasversale di A e la sua lunghezza è$L_o$. Se I appendere il filo da un punto e appendere un peso di W all'altro capo del filo, genererà una forza repulsiva T . Questa T è chiamata Forza di Tensione . "
Per me, questo mi spiega solo quale forza chiameremo forza di tensione, ma non mi spiega esattamente cosa sia esattamente questa forza di tensione o da dove provenga. Inoltre, ho risolto problemi alle pulegge (capire l'accelerazione dei pesi appesi alle pulegge) etichettando prima tutte le forze di tensione con$T_1$, $T_2$, e poi fare un po 'di matematica con loro per ottenere la mia risposta. Ma mi dà fastidio che sto usando questi valori di forza di tensione senza nemmeno sapere da dove provengano o cosa siano.
La mia idea era, forse la forza di tensione deriva dai legami intermolecolari tra le molecole della fune, della gomma o del filo, ecc. Ma anche allora, ho alcune domande situazionali diverse. Per esempio:
Perché non puoi spingere una fune, un filo di rame contro un muro?
Cosa succede quando tiro due estremità di un filo con 2 forze diverse?
La forza aumenta proporzionalmente alla forza applicata? Perché il filo si rompe dopo aver superato una certa quantità di forza?
L'idea di tensione si applica agli oggetti di uso quotidiano (ad esempio una tazza di caffè, un pannello di vetro, ecc.)? In caso affermativo, posso usare qualcosa come una mappa termica o un'equazione 3D per descrivere la tensione in ogni punto dell'oggetto? [Modifica: più concisamente, c'è un modo matematico per mostrare le varie quantità di forze di tensione su un 2D (come una lamiera) e oggetti 3D (come un pallone da calcio) invece di un oggetto 1D (come una corda)].
Se prendo un oggetto metallico come una graffetta o un filo sottile. Posso piegarlo più volte e alla fine si rompe in due pezzi. Lo facevo per estrarre i condensatori dai vecchi circuiti. Ma succede con cose come corde o carta? In caso contrario, perché non accade? (Forse ha qualcosa a che fare con le forze intermolecolari e le varie tensioni interne?)
Diciamo che ho una sbarra di ferro e l'ho lanciata nello spazio. Quella barra di ferro ha una distribuzione dello stress uguale o è ancora irregolare o lo stress su tutti i punti diventerà zero? (Esiste anche qualcosa come zero stress?)
Risposte
La forza di tensione come la forza normale è solo un aspetto delle forze elettromagnetiche che agiscono tra le molecole.
1 : Non puoi spingere qualcosa con una corda e se provi a farlo la corda si piegherà. Perché ?
Per capire questo, facciamo un esempio di magneti. Quando avvicini sempre più poli simili, provi una forza repulsiva sempre maggiore (perché le nubi di elettroni che circondano il nucleo si avvicinano molto e le forze coulombiane aumentano) . Inoltre potresti aver notato che se avvicini i poli simili dei magneti, la maggior parte delle volte vieni spinto lateralmente come mostrato di seguito.
Questo è ciò che accade esattamente all'interno di una corda. Quando provi a spingere le molecole più vicine, le nuvole di elettroni si respingono a vicenda con minori forze attrattive dal nucleo e le molecole scivolano l'una sull'altra e la maggior parte delle volte questo scivolamento piega la corda dai lati.
2 : Quando viene tirata con due forze diverse, la corda accelera nella direzione della forza netta a seconda della sua massa.
3 : Sì, la forza aumenta proporzionalmente con la forza esterna per una certa misura e se aumenti la forza esterna a una grandezza maggiore, le forze intermolecolari non potrebbero aumentare di conseguenza.
Puoi visualizzare la struttura interna come questa
Quando provi ad allungarti, le forze intermolecolari rispondono di conseguenza ma sai che anche le molle si deformano quando applichi una forza maggiore e proprio in questo modo le attrazioni intermolecolari non potrebbero salire di conseguenza e le cose (nel tuo caso, le corde) si rompono.
4 : Qualunque cosa tu veda intorno a te come un solido, come un liquido o come un gas, sono tutte sotto l'influenza di forze elettromagnetiche. In caso di solidi, le molecole possono essere compresse ma non di molto (perché sono già molto vicine tra loro) che puoi notare (anche se puoi notare la compressione in alcuni tipi speciali di solidi) e non possono essere facilmente rotto o allungato allungandosi a causa di questa forza elettromagnetica. I liquidi possono essere compressi in misura maggiore e i gas in misura maggiore.
5 : Quando pieghi le graffette, gli atomi vengono separati dal punto in cui stai piegando la clip. Come lo so?
Potresti aver notato che piegando più volte, prima di tutto l'estremità diventa di colore opaco rispetto ad altre parti della clip e se continui a farlo, alla fine si rompe . L'ottusità del colore è ciò che suggerisce che gli atomi vengono separati e che ci sono atomi minori per riemettere fotoni. Quando apri la clip, gli atomi non possono riorganizzarsi nello stesso schema precedente e in questo modo la clip inizia a indebolirsi. Nel caso delle corde, ciò non accade perché gli atomi nelle corde riacquistano la loro posizione originale e notiamo a malapena qualsiasi allungamento o ottusità e questa proprietà di recuperare la struttura originale dipende dalla natura degli atomi e dall'entità delle forze intermolecolari.
Considera le immagini sottostanti
Nota : l'immagine della struttura intermolecolare è presa da qui. Le due immagini sopra sono molto esagerate e gli atomi sono molto vicini l'uno all'altro.
Spero che aiuti 🙂.
Una spiegazione semplificata è la seguente. Quando due molecole sono a una certa distanza l'una dall'altra, ci sono alcune forze attrattive tra di loro, che dominano sulle forze repulsive. Man mano che si avvicinano, le forze repulsive continuano a diventare più forti finché a una distanza critica, le forze sono equilibrate.
La corda, quando giace a terra, è in equilibrio, perché le forze attrattive e repulsive tra le sue molecole si bilanciano a vicenda. Quando tendiamo la corda, in realtà stiamo leggermente separando le sue molecole, riducendo così le forze repulsive, motivo per cui nella corda si sviluppa una forza netta verso l'interno. Se continuiamo ad aumentare la forza, arriverà un punto in cui le forze repulsive saranno trascurabili. Ora le forze attrattive non possono aumentare ulteriormente e dopo quel punto la corda si rompe.
Se una corda viene tirata con due forze diverse, diciamo $10N$ da sinistra e $2N$ da destra, e la sua massa è $1kg$, quindi accelererà a sinistra con $8 m/s$. La tensione aumenta linearmente da$2N$ all'estremità sinistra di $8N$ all'estremità destra.
La struttura molecolare delle corde è tale che possono fornire tensione solo in una direzione. Gli oggetti solidi di tutti i giorni come il vetro mostrano anche forze di tensione e compressione.
La tensione complessiva è una forza di reazione del corpo a una forza stimolante (peso, trazione, esterna, ecc.) Ed è un caso specifico di un campo vettoriale di stress corporeo più generale , come:
E sì, la tensione aumenta proporzionalmente alla forza applicata. I materiali si rompono quando la pressione applicata su di essi supera / raggiunge la resistenza alla trazione finale , misurata in$\text{Pa}$ :
Nel grafico tensione-deformazione sopra è un punto estremo (1).