긴장의 기원
우선 Tension 의 정의와 아이디어에 대해 혼란스러워합니다 .
예를 들어, 내 물리학 교과서에서 긴장에 대한 개념은 다음과 같이 작성되었습니다.
" A 의 단면적을 가진 와이어가 있고 그 길이가$L_o$. 한 지점에서 와이어를 걸고 와이어 의 다른 끝에 W 의 무게를 걸면 T 의 반발력이 발생합니다 . 이 T 를 장력 이라고합니다 . "
나를 위해, 이것은 단지 우리가 장력을 호출 무슨 힘이 나에게 설명하지만, 아주 정확히 무엇인지 나에게 설명하지 않습니다 장력 이에서의 출처 힘이나. 또한 모든 장력을 다음과 같이 라벨링하여 풀리 문제 (도르래에 매달린 추의 가속도 파악)를 해왔습니다.$T_1$, $T_2$, 그리고 내 대답을 얻기 위해 그들과 함께 수학을합니다. 그러나 그것이 어디에서 왔는지 또는 그것이 무엇인지조차 알지 못하고 이러한 장력 값을 사용하고 있다는 것이 나를 괴롭 힙니다.
내 생각은 아마도 인장력이 로프, 고무 또는 와이어 등의 분자 사이의 분자간 결합에서 비롯된 것입니다.하지만 그때에도 상황에 따라 몇 가지 다른 질문이 있습니다. 예를 들면 :
왜 당신은 벽에 밧줄, 구리선을 밀 수 없습니까?
두 가지 힘으로 와이어의 두 끝을 당기면 어떻게됩니까?
힘이 적용된 힘에 비례하여 증가합니까? 일정량의 힘을 초과하면 와이어가 끊어지는 이유는 무엇입니까?
긴장의 개념이 일상적인 물건 (예 : 커피 머그, 유리창 등)에 적용됩니까? 그렇다면 열지도 또는 3D 방정식과 같은 것을 사용하여 물체의 모든 지점에서 장력을 설명 할 수 있습니까? [편집 : 더 간결하게, 1D 물체 (줄과 같은) 대신 2D (금속판과 같은) 및 3D 물체 (축구와 같은)에 다양한 양의 장력을 표시하는 수학적 방법이 있습니까?].
종이 클립이나가는 철사 같은 금속 물체를 가져 가면. 여러 번 구부릴 수 있으며 결국 두 조각으로 나뉩니다. 나는 오래된 회로 기판에서 커패시터를 꺼내기 위해 이것을 사용했습니다. 하지만 로프 나 종이와 같은 일이 발생합니까? 그렇지 않다면 왜 발생하지 않습니까? (아마도 분자간 힘과 다양한 내부 응력과 관련이 있습니까?)
철제 막대가 있고 그것을 우주로 내던 졌다고 가정 해 봅시다. 그 철봉이 동일한 응력 분포를 갖거나 여전히 고르지 않거나 모든 점의 응력이 0이 될까요? (스트레스 제로 같은 것도 있습니까?)
답변
수직력과 같은 장력 은 분자 사이 에 작용 하는 전자기력 의 한 측면 일뿐 입니다.
1 : 로프로 무언가를 밀 수 없으며 그렇게하려고하면 로프가 구부러집니다. 왜 ?
이것을 이해하기 위해 자석의 예를 들어 보겠습니다. 극과 같은 극을 점점 더 가까이 가져 오면 점점 더 큰 반발력을 경험하게됩니다 (핵을 둘러싼 전자 구름이 매우 가까워지고 쿨롱 힘이 증가하기 때문입니다) . 또한 자석의 같은 극을 더 가까이 가져 오면 아래와 같이 대부분의 시간이 옆으로 밀리는 것을 알 수 있습니다.
이것이 바로 로프 안에서 일어나는 일입니다. 분자를 더 가깝게 밀려 고 할 때 전자 구름은 핵에서 더 적은 인력으로 서로 밀어 내고 분자는 서로 미끄러지며 대부분의 경우이 미끄러짐으로 인해 측면에서 로프가 구부러집니다.
2 : 두 가지 다른 힘으로 당길 때 끈은 질량에 따라 순 힘 방향으로 가속됩니다.
3 : 예, 힘은 어느 정도 외부 힘에 비례하여 증가하고 외부 힘을 더 큰 크기로 증가 시키면 그에 따라 분자간 힘이 증가 할 수 없습니다.
내부 구조를 다음과 같이 시각화 할 수 있습니다.
늘이려고하면 분자간 힘이 그에 따라 반응하지만 더 큰 힘을 가하면 스프링도 변형되고 정확하게 이런 식으로 분자간 매력이 그에 따라 상승 할 수없고 사물 (귀하의 경우에는 현)이 끊어진다는 것을 알고 있습니다.
4 : 당신이 주변에서 고체 나 액체 또는 기체로 보는 것은 무엇이든 모두 전자기력의 영향을받습니다. 고체의 경우, 분자는 압축 될 수 있지만 (이미 서로 매우 가깝기 때문에) 많은 양만큼 압축되지는 않습니다. (특정한 종류의 고체에서 압축을 알 수는 있지만) 쉽게 알아 차릴 수 없습니다. 이 전자기력 때문에 늘어나거나 끊어 지거나 늘어납니다. 액체는 더 많은 양으로 압축되고 가스는 가장 많은 양으로 압축 될 수 있습니다.
5 : 클립을 구부리면 클립을 구부리는 지점에서 원자가 분리됩니다. 이것을 어떻게 알 수 있습니까?
여러 번 구부리면 먼저 끝이 클립의 다른 부분보다 색상이 흐릿 해지며 계속하면 결국 끊어진다는 것을 알 수 있습니다. 색상의 칙칙함은 원자가 분리되고 광자를 재 방출 할 원자가 적음을 의미합니다. 클립을 펼칠 때 원자는 동일한 이전 패턴으로 재 배열 될 수 없으며 이러한 방식으로 클립이 약해지기 시작합니다. 로프의 경우, 로프의 원자가 원래의 위치를 되 찾아서 발생하지 않습니다. 우리는 신장이나 둔함을 거의 알아 차리지 못하며 원래 구조를 되 찾는이 속성은 원자의 특성과 분자간 힘의 정도에 따라 달라집니다.
아래 이미지를 고려하십시오.
참고 : 분자간 구조의 이미지는 여기 에서 가져온 것입니다. 위의 두 이미지는 매우 과장되어 있으며 원자는 서로 매우 가깝습니다.
그것이 도움이되기를 바랍니다.
간단한 설명은 다음과 같습니다. 두 분자가 어느 정도 떨어져있을 때, 그들 사이에는 반발력을 지배하는 인력이 있습니다. 그들이 계속 가까워 질수록 반발력은 임계 거리에서 힘이 균형을 이룰 때까지 계속 강해집니다.
지면에 누울 때 줄은 평형을 이룹니다. 분자 사이의 인력과 반발력이 서로 균형을 이루기 때문입니다. 끈을 팽팽하게 당기면 실제로 분자가 약간 떨어져서 반발력이 감소합니다. 이것이 바로 끈에 순 안쪽 힘이 발생하는 이유입니다. 힘을 계속 증가 시키면 반발력이 무시할 수있는 지점이 올 것입니다. 이제 인력은 더 이상 증가 할 수 없으며 그 이후에는 현이 끊어집니다.
두 개의 다른 힘으로 끈을 당기면 $10N$ 왼쪽에서 $2N$ 오른쪽에서, 질량은 $1kg$, 그러면 왼쪽으로 가속됩니다. $8 m/s$. 장력은 다음에서 선형 적으로 증가합니다.$2N$ 왼쪽 끝에 $8N$ 오른쪽 끝에.
끈의 분자 구조는 한 방향으로 만 장력을 제공 할 수 있습니다. 유리와 같은 일상적인 단단한 물체는 압축력과 함께 장력도 보여줍니다.
전체 장력은 일부 자극 (무게, 당기기, 외부 등)에 대한 신체 반응력 이며 다음과 같은 보다 일반적인 신체 스트레스 벡터 장의 특정 경우입니다 .
그리고 예, 장력은 적용된 힘에 비례하여 증가합니다. 재료에 가해진 압력이 최대 인장 강도를 초과하거나 도달하면 재료가 파손됩니다 .$\text{Pa}$ :
위의 응력-변형 그래프에서는 극단 점입니다 (1).