Что значит сила натяжения нити

Вес тела. Сила реакции опоры. Сила натяжения нити

Многие из вас пользуются или пользовались обычной проводной компьютерной мышкой. Если такая проводная мышка рядом с вами, то посмотрите на нее (а если ее нет рядом — то представьте). Мы знаем, что, как и на все тела на Земле, на нее действует сила тяжести F т я г о т е н и я = m ⋅ g F_<тяготения>=m\cdot g F т я г о т е н и я ​ = m ⋅ g .

Почему же она не падает вниз, а находится в состоянии покоя? Мы помним из 1-го закона Ньютона, что в инерциальных системах тело может находиться в состоянии покоя, если на него не действуют никакие силы (не наш случай) или действие всех сил скомпенсировано. Значит, что-то компенсирует действие силы тяжести. Но что? Мы забыли, что мышка лежит на столе. Мышка, на которую действует сила тяжести m ⋅ g ⃗ m\cdot\vec m ⋅ g ⃗ ​ , в свою очередь давит на стол с силой, которую называют вес тела . Обычно вес тела обозначается P ⃗ \vec

P ⃗ . Но из 3-го закона Ньютона мы знаем: с какой силой мышка давит на стол ( мышка → \rightarrow → стол ), с точно такой же по величине силой стол давит на мышку ( стол → \rightarrow → мышка ). Сила, с которой стол давит на мышку, называется силой реакции опоры. Чаще всего она обозначается N ⃗ \vec N ⃗ . Из 3-го закона Ньютона следует, что N ⃗ = − P ⃗ . \vec=-\vec

<.>N ⃗ = − P ⃗ .

Заметьте, что сил три:

Ее не существует, поэтому ее нельзя найти

Равнодействующая равна нулю, поскольку N ⃗ = − P ⃗ \vec=-\vec

N ⃗ = − P ⃗

Тело в состоянии покоя может не лежать на столе, а, например, висеть на веревке.

Ту же компьютерную мышку можно было бы подвесить на ее же шнуре (если она у вас проводная). Ситуация очень похожа на случай с лежащей мышкой. Только в случае с висящей мышкой падать под действием силы тяжести ей не дает нить, а точнее — сила натяжения нити. Обычно ее обозначают буквой T ⃗ \vec T ⃗ .

В этом случае весом называют силу, с которой тело (мышка) растягивает нить подвеса. Вообще

вес — это сила, с которой тело давит на опору или растягивает нить подвеса.

Соответственно, если тело ни на что не давит и ничего не тянет — то оно находится в состоянии невесомости.

Каждый из вас может оказаться в состоянии невесомости, если (отметьте все правильные варианты)

Источник

Сила натяжения нити и применение формулы в бытовых ситуациях

Силой натяжения называют ту, что действует на объект, сравнимый с проволокой, шнуром, кабелем, ниткой и так далее. Это могут быть несколько объектов сразу, в таком случае сила натяжения будет действовать на них и необязательно равномерно. Объектом натяжения называют любой предмет, подвешенный на все вышеперечисленное. Но кому это нужно знать? Несмотря на специфичность информации, она может пригодиться даже в бытовых ситуациях.

Например, при ремонте дома или квартиры. Ну и, конечно же, всем людям, чья профессия связана с расчетами:

• инженерам;
• архитекторам;
• проектировщикам и пр.

Натяжения нити и подобных объектов

А зачем им это знать и какая от этого практическая польза? В случае с инженерами и конструкторами знания о мощи натяжения позволят создавать устойчивые конструкции. Это означает, что сооружения, техника и прочие конструкции смогут дольше сохранять свою целостность и прочность. Условно, эти расчеты и знания можно разделить на 5 основных пунктов, чтобы в полной мере понять, о чем идет речь.

1 Этап

Задача: определить силу натяжения на каждом из концов нити. Эту ситуацию можно рассматривать как результат воздействия сил на каждый конец нити. Она равняется массе, помноженной на ускорение свободного падения. Предположим, что нить натянута туго. Тогда любые воздействия на объект приведет к изменению натяжения (в самой нити). Но даже при отсутствии активных действий, по умолчанию будет действовать сила притяжения. Итак, подставим формулу: Т=м*g+м*а, где g – ускорение падения (в данном случае подвешенного объекта), а – любое иное ускорение, действующее извне.

Есть множество сторонних факторов, влияющих на расчеты – вес нити, ее кривизна и так далее. Для простых расчетов это мы не будем пока что учитывать. Иными словами – пусть нить будет идеальна с математической точки зрения и «без изъянов».

Возьмем «живой» пример. На балке подвешена прочная нить с грузом в 2 кг. При этом отсутствует ветер, покачивания и прочие факторы, так или иначе влияющие на наши расчеты. Тогда мощь натяжения равна силе тяжести. В формуле это можно выразить так: Fн=Fт=м*g, в нашем случае это 9,8*2=19,6 ньютона.

2 Этап

Заключается он в вопросе об ускорении. К уже имеющейся ситуации давайте добавим условие. Суть его в том, чтобы на нить действовало еще и ускорение. Возьмем пример попроще. Представим, что нашу балку теперь поднимают вверх со скоростью 3 м/с. Тогда, к натяжению прибавится ускорение груза и формула примет следующий вид: Fн=Fт+уск*м. Ориентируясь на прошлые расчеты получаем: Fн=19,6+3*2=25,6 ньютона.

3 Этап

Тут уже посложнее, так как речь идет об угловом вращении. Следует понимать, что при вращении объекта вертикально, сила, воздействующая на нить, будет намного больше в нижней точке. Но давайте возьмем пример с несколько меньшей амплитудой качания (по типу маятника). В этом случае для расчетов нужна формула: Fц=м* v²/r. Тут искомое значение обозначает дополнительную мощь натяжения, v – скорость вращения подвешенного груза, а r – радиус окружности, по которому вращается груз. Последнее значение фактически равняется длине нити, пускай она составляет 1,7 метра.

Итак, подставляя значения, находим центробежные данные: Fц=2*9/1,7=10,59 ньютона. А теперь, чтобы узнать полную силу натяжения нити, надо к имеющимся данным о состоянии покоя прибавить центробежную силу: 19,6+10,59=30,19 ньютона.

4 Этап

Следует учитывать меняющуюся силу натяжения по мере прохождения груза через дугу. Иными словами – независимо от постоянной величины притяжения, центробежная (результирующая) сила меняется по мере того, как качается подвешенный груз.

Чтобы лучше понять этот аспект, достаточно представить себе привязанный груз к веревке, которую можно свободно вращать вокруг балки, к которой она закреплена (как качели). Если веревку раскачать достаточно сильно, то в момент нахождения в верхнем положении сила притяжения будет действовать в «обратную» сторону относительно силы натяжения веревки. Иными словами – груз станет «легче», из-за чего ослабнет и натяжение на веревку.

Предположим, что маятник отклоняется на угол, равный двадцати градусам от вертикали и движется со скоростью 1,7 м/с. Сила притяжения (Fп) при этих параметрах будет равна 19,6*cos(20)=19,6*0,94=18,424 Н; центробежная сила (F ц=mv²/r)=2*1,7²/1,7=3,4 Н; ну а полное натяжение (Fпн) будет равняться Fп+ Fц=3,4+18,424=21,824 Н.

5 Этап

Его суть заключается в силе трения между грузом и другим объектом, что в совокупности косвенно влияет на натяжение веревки. Иначе говоря – сила трения способствует увеличению силы натяжения. Это хорошо видно на примере перемещения объектов по шершавой и гладкой поверхностях. В первом случае трение будет большим, поэтому и сдвигать предмет становится тяжелее.

Общее натяжение в данном случае вычисляется по формуле: Fн=Fтр+Fу, где Fтр – трение, а Fу – ускорение. Fтр=мкР, где мк – трение между объектами, а Р – сила взаимодействия между ними.

Чтобы лучше понять данный аспект, рассмотрим задачу. Допустим, у нас груз 2 кг и коэффициент трения равен 0,7 с ускорением движения 4м/с постоянной скорости. Теперь задействуем все формулы и получаем:

1. Сила взаимодействия — Р=2*9,8=19,6 ньютона.
2. Трение — Fтр=0,7*19,6=13,72 Н.
3. Ускорение — Fу=2*4=8 Н.
4. Общая сила натяжения — Fн=Fтр+Fу=13,72+8=21,72 ньютона.

Теперь вы знаете больше и можете сами находить и рассчитывать нужные значения. Конечно, для более точных расчетов нужно учитывать больше факторов, но для сдачи курсовой и реферата этих данных вполне достаточно.

Видео

Это видео поможет вам лучше разобраться в данной теме и запомнить ее.

Источник

Сила натяжения нити

Понятие силы натяжения нити

Пусть тело прикреплено к нити, тогда силой натяжения нити называют силу, действующую на рассматриваемое тело, равную по величине и противоположную по направлению равнодействующей, приложенной к нити. Силу натяжения нити обозначают по-разному, чаще всего: $\overline$, $\overline,\ \overline$. Если равнодействующую, приложенную к нити обозначить как $\overline$, то в соответствии с третьим законом Ньютона имеем:

Сила натяжения нити является реакцией подвеса (нити), на действие со стороны тела на подвес. Сила натяжения нити всегда имеет направление вдоль нити.

Очень часто при решении задач указывают, что нить является невесомой (массой нити в сравнении с массой груза можно пренебречь). Если нить невесома и нерастяжима, то такую нить рассматривают как проводник силы.

Если следует учитывать растяжение нити, при этом нагрузки малы, а нить упругая, то при вычислении силы натяжения используют закон Гука:

где $<\overline>_u$ — сила упругости нити;$\ k$ — коэффициент упругости нити; $\Delta l$ — удлинение нити.

Единицей измерения силы натяжения нити в Международной системе единиц (СИ) (как и для любой другой силы) является ньютон:

Примеры задач на силу натяжения нити

Задание. Какой будет сила натяжения нерастяжимой нити, связывающей два груза находящихся на горизонтальной гладкой поверхности (рис.1), если массы грузов равны $m_1$ и $m_2.\ $К одному из грузов приложена горизонтальная сила $F.$ Трение брусков о поверхность не учитывать. Нить считать невесомой.

Решение. Рассмотрим силы, которые приложены к первому грузу, запишем второй закон Ньютона для этого тела:

$m_1\overline$ — сила тяжести, действующая на первый груз; $<\overline>_1$ — сила реакции горизонтальной опоры; $<\overline>_1$ — сила натяжения нити.

Проектируя на оси X и Y уравнение (1.1) получаем:

\[\left\< \begin X:F-T_1=m_1a\left(1.2\right). \\ m_1g=N_1\left(1.3\right). \end \right.\]

Рассмотрим силы, действующие на второй груз, запишем второй закон Ньютона для этих сил:

В проекциях на оси X и Y получаем систему уравнений:

\[\left\< \begin X:T_2=m_2a\left(1.5\right). \\ m_2g=N_2\left(1.6\right). \end \right.\]

Так как нить считаем невесомой, то имеем:

Из уравнения (1.5) выразим ускорение и подставим его в (1.2)получим величину силы натяжения нити:

Задание. К нерастяжимой нити подвешен массивный шарик. Шарик подняли так, что нить приняла горизонтальное положение, затем шарик отпустили. Какова сила натяжения нити в момент, когда шарик проходит положение равновесия? Какой угол составляет нить с вертикалью, если сила натяжения равна силе тяжести, действующая на шарик?

Решение. Сделаем рисунок.

1) Силы, действующие на шарик в момент прохождения положения равновесия (положение А на рис.2): сила тяжести и сила натяжения нити. Для них запишем второй закон Ньютона:

Запишем проекцию выражения (2.1) на ось Y:

где шарик движется с центростремительным ускорением, равным:

$l$ — длина нити; $v$ — величина скорости движения шарика в точке А.

Скорость $v$ найдем из закона сохранения энергии (см. рис.2 $h=l$), который запишем для положений B (максимальная потенциальная энергия шара) и A (максимальная кинетическая энергия шара):

Выразим силу натяжения нити из (2.2), подставим найденное ускорение, учитывая (2.4):

Ось Y направим по нити, ось X перпендикулярно оси Y (рис.3).

Запишем проекцию уравнения (2.1) на новую ось Y:

Выразим силу натяжения нити:

Учитывая (2.3), получим:

Потенциальная энергия шарика в положении C равна $E_p=mgl<\cos \alpha \ >$, она переходит полностью в кинетическую энергию положения А ($E_k=m\frac<2>$):

Из (2.6) выразим $v^2$, имеем:

Подставим результат (2.9) в формулу (2.7), получили:

Приравниваем по условию силу натяжения нити к силе тяжести, выражаем величину угла:

Ответ. 1) $N=3mg$. 2) $\alpha =arc<\cos \frac<1><3>\ >$

Источник

Определение силы натяжения нити

Сила натяжения нити — формулировка

Силой натяжения называют силу, приложенную к концам объекта и создающую внутри него упругую деформацию.

Длина тела, к которому приложена сила, обычно многократно больше, чем его толщина. Примерами таких объектов являются веревка, канат, трос, леска, проволока. Сила натяжения визуально проявляется в следующих примерах:

• создание строительного отвеса;
• установка растяжек для фиксации радиоантенн;
• поведение арматуры внутри напряженного бетона;
• устройство корабельного такелажа.

Как определить силу, формулы

Натяжение проявляется по-разному. Поэтому сила натяжения может рассчитываться определенным образом, в зависимости от окружающих условий.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

С неподвижно закрепленным верхним концом

Простейшим примером проявления силы натяжения является нить с закрепленным на ней грузом. Верхний конец такого подвеса фиксируется неподвижно. В этом случае сила натяжения будет соответствовать силе тяжести, которая действует на тело. Формула для расчета:

где m – это масса тела, а g представляет собой ускорение свободного падения.

Если нить под углом

В случае, когда груз расположен под определенным углом, характер силы натяжения несколько изменяется. Примером такой системы выступает маятник.

где а равен углу отклонения.

Формула с учетом ускорения и массы

В ситуации, при которой на груз оказывается сила натяжения, приводящая его в движение вверх, следует использовать такую формулу для ее расчета:

Сила натяжения во вращающейся системе

Описание

Такое явление можно наблюдать, когда система из нити и тела вращается во время раскручивания подвеса вокруг своей оси с закрепленным на одном его конце объектом: центрифуга, маятник, качели. Сила натяжения, возникающая внутри подвеса, характеризуется центробежной силой и в условиях вращения в вертикальной плоскости циклически претерпевает изменения. То есть можно наблюдать зависимость силы от угла отклонения от вертикали:

• приближение к земле приводит к увеличению силы;
• во время удаления от земли сила слабеет.

Формула расчета

Рассчитать силу натяжения в условиях вращающейся системы можно так:

Обозначение, единица измерения

Существуют определенные стандарты для написания формулы силы натяжения. Как и другие физические силы, натяжение обозначается F. В качестве единицы измерения используют Ньютон (H)

Примеры решения задач

Задание 1

На невесомую нерастяжимую нить действует сила натяжения Т=4400Н. Необходимо определить максимальное ускорение подъема груза, масса которого равна m=400 кг, подвешенного на этой нити. При этом нить должна сохранить целостность.

Решение

Представив все силы, оказывающие действие на тело, необходимо составить формулу второго закона Ньютона. Тело является материальной точкой, а силы приложены к центру его массы.

\(\bar\) является силой натяжения нити.

Проекция уравнения будет иметь следующий вид:

Данное выражение позволяет рассчитать ускорение:

Так как все величины, изложенные в задании, соответствуют единицам СИ, можно провести корректные вычисления

Ответ: a = 1.2 \(м/с^2\)

Задание 2

На иллюстрации изображен шар, который обладает массой m=0.1 кг. Будучи зафиксирован на нити, шарик совершает движение по окружности в горизонтальной плоскости. Длина подвеса составляет l=5 м, а радиус окружности – R=3 м. Требуется вычислить модуль силы натяжения нити.

Решение

Необходимо воспользоваться вторым законом Ньютона и записать его для сил, которые действуют на шар. Центростремительное ускорение при его вращении по окружности будет записано следующим образом:

Проекции данной формулы по осям определяются следующим образом:

X: \(T sin α = ma = mω2R\)

Y: \(-mg + T cos α = 0\)

Таким образом, из уравнения Y получаем расчет модуля силы натяжения нити:

Анализ рисунка позволяет вывести следующее уравнение:

\(\sin \alpha = \frac\rightarrow \cos \alpha = \sqrt<1-\left(\frac \right)^<2>>\)

Если cos α заменить уравнением для расчета модуля силы натяжения нити, то получим следующую формулу:

Значения основных величин, выраженные в СИ, можно подставить в конечную формулу для расчета силы натяжения нити:

Источник