Gerilimin Kökenleri
Her şeyden önce, Gerilimin tanımı ve fikri hakkında bir kafa karışıklığım var .
Örneğin Fizik Ders Kitabımda gerilim fikri şöyle yazılıyor:
" Kesit alanı A olan bir tel var ve uzunluğu$L_o$. Teli bir noktadan asıp telin diğer ucuna bir ağırlık W asarsam, itici bir T kuvveti oluşturacaktır . Bu T , Gerilim Kuvveti olarak adlandırılır . "
Benim için bu sadece bana hangi kuvvetin gerilim kuvveti dediğimizi açıklıyor, ama bana bu Gerilim kuvvetinin tam olarak ne olduğunu veya nereden kaynaklandığını tam olarak açıklamıyor . Ayrıca, önce tüm germe kuvvetlerini etiketleyerek kasnak problemleri (kasnaklardan sarkan ağırlıkların ivmesini bulmak) yapmaktayım.$T_1$, $T_2$ve sonra cevabımı almak için onlarla biraz matematik yapıyorum. Ama nereden geldiklerini veya ne olduklarını bilmeden bu gerilim kuvveti değerlerini kullanmam canımı sıkıyor.
Benim fikrim, belki de gerilim kuvveti halat, lastik veya tel vb. Molekülleri arasındaki moleküller arası bağlardan gelir. Ama o zaman bile, bazı farklı durumsal sorularım var. Örneğin:
Neden bir ipi, bakır teli bir duvara itemiyorsun?
2 farklı kuvvetle bir telin iki ucunu çektiğimde ne olur?
Kuvvet, uygulanan kuvvetle orantılı olarak artar mı? Belirli bir kuvvet miktarı aşıldıktan sonra tel neden kopuyor?
Gerilim fikri gündelik nesneler için geçerli mi (örneğin, bir kahve fincanı, cam bölme vb.). Varsa, nesnenin her noktasındaki gerilimi tanımlamak için bir ısı haritası veya 3B denklem gibi bir şey kullanabilir miyim? [Düzenleme: daha kısaca, 1 boyutlu bir nesne (bir ip gibi) yerine bir 2B (bir metal levha gibi) ve 3B nesneler (bir futbol topu gibi) üzerindeki çeşitli gerilim kuvvetlerini göstermenin matematiksel bir yolu var mı].
Ataç veya ince bir tel gibi metal bir nesne alırsam. Onu birden çok kez bükebilirim ve sonunda iki parçaya bölünür. Bunu eski devre kartlarından kondansatör çekmek için yapardım. Ama ipler veya kağıt gibi şeylerde olur mu? Değilse, neden olmuyor? (Belki de moleküller arası kuvvetler ve çeşitli iç gerilmelerle bir ilgisi vardır?)
Diyelim ki bir demir çubuğum var ve onu uzaya fırlattım. Bu demir çubuk eşit gerilim dağılımına sahip mi yoksa hala düzensiz mi yoksa tüm noktalardaki gerilim sıfır mı olacak? (Sıfır stres diye bir şey var mı?)
Yanıtlar
Normal kuvvet gibi gerilme kuvveti, moleküller arasında etkiyen elektromanyetik kuvvetlerin sadece bir yönüdür .
1 : Bir şeyi iple itemezsiniz ve bunu yapmaya çalışırsanız halat bükülür. Neden ?
Bunu anlamak için bir mıknatıs örneği alalım. Benzer kutupları yaklaştırıp yaklaştırdığınızda, gittikçe daha fazla itme kuvveti yaşarsınız (çünkü çekirdeği çevreleyen elektron bulutları çok yaklaşır ve coulomb kuvvetleri artar) . Ayrıca, mıknatısların benzer kutuplarını daha fazla yaklaştırırsanız, aşağıda gösterildiği gibi çoğu kez yana doğru itildiğinizi fark etmiş olabilirsiniz.
Bir ipin içinde tam olarak olan budur. Molekülleri daha da yakınlaştırmaya çalıştığınızda, elektron bulutları çekirdekten daha az çekici kuvvetlerle birbirlerini iterler ve moleküller birbirlerinin üzerinden kayar ve çoğu zaman bu kayma ipi yanlardan büker.
2 : İki farklı kuvvetle çekildiğinde ip, kütlesine bağlı olarak net kuvvet yönünde hızlanacaktır.
3 : Evet, kuvvet bir ölçüde dış kuvvetle orantılı olarak artar ve dış kuvveti daha büyük bir büyüklüğe yükseltirseniz, moleküller arası kuvvetler buna göre artamaz.
İç yapıyı bu şekilde görselleştirebilirsiniz
Uzamaya çalıştığınızda, moleküller arası kuvvetler buna göre tepki verir, ancak daha büyük bir kuvvet uyguladığınızda yayların bile deforme olduğunu bilirsiniz ve tam da bu şekilde, moleküller arası çekimler buna göre yükselemez ve şeyler (sizin durumunuz için, dizeler) kırılır.
4 : Çevrenizde katı, sıvı veya gaz olarak gördüğünüz her şey elektromanyetik kuvvetlerin etkisi altındadır. Katılar söz konusu olduğunda, moleküller sıkıştırılabilir, ancak çok fazla değil (çünkü zaten birbirlerine çok yakındırlar) bunu fark edebilirsiniz (yine de bazı özel katı türlerinde sıkıştırmayı fark edebilirsiniz) ve kolayca olamazlar. bu elektromanyetik kuvvet nedeniyle esneyerek kırılır veya uzar. Sıvılar daha büyük miktarda ve gazlar en büyük miktarda sıkıştırılabilir.
5 : Ataçları büktüğünüzde, atomlar klipsi büktüğünüz noktadan ayrılır. Bunu nasıl bilebilirim?
Birden fazla bükme ile, her şeyden önce, klibin diğer kısımlarına göre uçun donuklaştığını ve bunu yapmaya devam ederseniz, sonunda kırıldığını fark etmiş olabilirsiniz . Renkteki donukluk, atomların ayrıldığını ve fotonları yeniden yayacak daha az atom olduğunu düşündüren şeydir. Klibi açtığınızda, atomlar daha önceki aynı düzende yeniden düzenlenemezler ve bu şekilde klips zayıflamaya başlar. Halatlar söz konusu olduğunda, iplerdeki atomlar orijinal konumlarına geri döndükleri ve herhangi bir uzama veya donukluğu neredeyse fark edemeyeceğimiz için gerçekleşmez ve orijinal yapıyı geri kazanma özelliği, atomların doğasına ve moleküller arası kuvvetlerin boyutuna bağlıdır.
Aşağıdaki resimleri düşünün
Not : Moleküller arası yapının görüntüsü buradan alınır . Yukarıdaki iki görüntü oldukça abartılı ve atomlar birbirine çok yakın.
Umarım yardımcı olur 🙂.
Basitleştirilmiş bir açıklama aşağıdaki gibidir. İki molekül birbirinden biraz uzakta olduğunda, aralarında itici kuvvetlere hakim olan bazı çekici kuvvetler vardır. Yaklaştıkça, itici güçler kritik bir mesafeye kadar güçlenmeye devam ediyor, kuvvetler dengeleniyor.
İp, yerde yatarken denge halindedir, çünkü molekülleri arasındaki çekici ve itici kuvvetler birbirini dengeler. İpi gerdiğimizde, aslında moleküllerini hafifçe ayırıyoruz, böylece itici kuvvetleri azaltıyoruz, bu yüzden ipte net bir içe doğru kuvvet gelişiyor. Gücü artırmaya devam edersek, itici kuvvetlerin ihmal edilebilir olduğu bir nokta gelecek. Şimdi çekici kuvvetler daha fazla artamaz ve bu noktadan sonra ip kopar.
Bir ip iki farklı kuvvetle çekilirse, diyelim ki $10N$ soldan ve $2N$ sağdan ve kütlesi $1kg$, sonra sola doğru hızlanacaktır $8 m/s$. Gerilim doğrusal olarak artar$2N$ sol ucunda $8N$ sağ uçta.
İplerin moleküler yapısı, sadece bir yönde gerilim sağlayabilecek şekildedir. Cam gibi günlük katı nesneler de sıkıştırma kuvvetlerinin yanı sıra gerilim de gösterir.
Genel gerilim, bazı uyarıcı kuvvetlere (ağırlık, çekme, dış vb.) Karşı bir vücut tepki kuvvetidir ve aşağıdakiler gibi daha genel bir vücut stres vektör alanının spesifik bir durumudur :
Ve evet, uygulanan kuvvetle orantılı olarak gerilim artar. Malzemelere uygulanan basınç , ölçülen nihai çekme mukavemetini aştığında / ulaştığında kırılır .$\text{Pa}$ :
Üst gerilim-şekil değiştirme grafiğinde bu uç noktadır (1).