Tensão (física)

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Em física , a tensão é descrita como a força de tração transmitida axialmente por meio de uma corda, cabo, corrente ou objeto semelhante, ou por cada extremidade de uma haste, membro de treliça ou objeto tridimensional semelhante; a tensão também pode ser descrita como o par de forças de ação-reação atuando em cada extremidade dos ditos elementos. A tensão pode ser o oposto de compressão .

No nível atômico, quando átomos ou moléculas são separados uns dos outros e ganham energia potencial com uma força restauradora ainda existente, a força restauradora pode criar o que também é chamado de tensão. Cada extremidade de uma corda ou barra sob tal tensão pode puxar o objeto ao qual está presa, a fim de restaurar a corda / barra ao seu comprimento relaxado.

Na física, a tensão, como uma força transmitida, como um par de forças de ação-reação ou como uma força restauradora, pode ser uma força e tem as unidades de força medidas em newtons (ou às vezes libras-força ). As pontas de um fio ou outro objeto que transmita tensão exercerão forças sobre os objetos aos quais o fio ou barra está conectado, na direção do fio no ponto de fixação. Essas forças devido à tensão também são chamadas de "forças passivas". Existem duas possibilidades básicas para sistemas de objetos mantidos por cordas: [1] ou a aceleração é zero e o sistema está, portanto, em equilíbrio, ou há aceleração e, portanto, uma força resultante está presente no sistema.

9 homens da equipe campeã irlandesa de cabo de guerra puxam uma corda. A corda na foto se estende em uma ilustração desenhada mostrando segmentos adjacentes da corda. Um segmento é duplicado em um diagrama de corpo livre mostrando um par de forças de ação-reação de magnitude T puxando o segmento em direções opostas, onde T é transmitido axialmente e é chamado de força de tensão. Essa ponta da corda está puxando a equipe do cabo de guerra para a direita. Cada segmento da corda é puxado pelos dois segmentos vizinhos, estressando o segmento no que também é chamado de tensão, que pode mudar ao longo dos dois membros do campo de futebol.

A tensão em uma dimensão

A tensão em uma corda de tetherball.

A tensão em uma corda é uma quantidade vetorial não negativa . A tensão zero está frouxa. Uma corda ou corda é frequentemente idealizada como uma dimensão, tendo comprimento, mas sendo sem massa e com seção transversal zero . Se não houver dobras na corda, como ocorre com as vibrações ou roldanas , a tensão é uma constante ao longo da corda, igual à magnitude das forças aplicadas pelas pontas da corda. Pela terceira lei de Newton , essas são as mesmas forças exercidas nas pontas da corda pelos objetos aos quais as pontas estão fixadas. Se a corda se curva em torno de uma ou mais polias, ela ainda terá tensão constante ao longo de seu comprimento na situação idealizada em que as polias não têm massa esem atrito . Uma corda vibrando vibra com um conjunto de frequências que dependem da tensão da corda. Essas frequências podem ser derivadas das leis do movimento de Newton . Cada segmento microscópico da corda puxa e é puxado por seus segmentos vizinhos, com uma força igual à tensão naquela posição ao longo da corda.

Se a corda tiver curvatura, então as duas puxadas em um segmento por seus dois vizinhos não somarão zero e haverá uma força resultante naquele segmento da corda, causando uma aceleração. Esta força resultante é uma força restauradora , e o movimento da corda pode incluir ondas transversais que resolvem a equação central para a teoria de Sturm-Liouville :

Onde é a força constante por unidade de comprimento [unidades de força por área] e são os valores próprios para ressonâncias de deslocamento transversalna corda, [2] com soluções que incluem os vários harmônicos em um instrumento de cordas .

A tensão de três dimensões

A tensão também é usada para descrever a força exercida pelas extremidades de um material tridimensional contínuo, como uma haste ou um membro de treliça . Essa haste se alonga sob tensão. A quantidade de alongamento e a carga que causará a falha dependem da força por área da seção transversal em vez da força sozinha, então tensão = força axial / área da seção transversal é mais útil para fins de engenharia do que tensão. A tensão é uma matriz 3x3 chamada tensor , e o O elemento do tensor de tensão é a força de tração por área, ou força de compressão por área, denotada como um número negativo para este elemento, se a haste estiver sendo comprimida em vez de alongada.

Assim, pode-se obter um escalar análogo à tensão tomando o traçado do tensor de tensão.

Sistema em equilíbrio

Um sistema está em equilíbrio quando a soma de todas as forças é zero.

[1]

Por exemplo, considere um sistema que consiste em um objeto que está sendo baixado verticalmente por uma corda com tensão, T , a uma velocidade constante . O sistema tem uma velocidade constante e, portanto, está em equilíbrio porque a tensão na corda, que está puxando o objeto, é igual à força do peso , mg ("m" é a massa, "g" é a aceleração causada pelo gravidade da Terra ), que está puxando o objeto.

[1]

Sistema em vigor net

Um sistema tem uma força resultante quando uma força desequilibrada é exercida sobre ele, em outras palavras, a soma de todas as forças não é zero. A aceleração e a força resultante sempre existem juntas.

[1]

Por exemplo, considere o mesmo sistema acima, mas suponha que o objeto esteja agora sendo abaixado com uma velocidade crescente para baixo (aceleração positiva), portanto, existe uma força resultante em algum lugar do sistema. Neste caso, a aceleração negativa indicaria que.

[1]

Em outro exemplo, suponha que dois corpos A e B tendo massas e , respectivamente, são conectados uns aos outros por uma corda inextensível sobre uma polia sem atrito. Existem duas forças agindo sobre o corpo A: seu peso () puxando para baixo, e a tensão na corda puxando para cima. Portanto, a força resultante no corpo A é , tão . Em uma string extensível, a lei de Hooke se aplica.

Cordas em física moderna

Objetos semelhantes a cordas nas teorias relativísticas , como as cordas usadas em alguns modelos de interação entre quarks , ou aqueles usados ​​na moderna teoria das cordas , também possuem tensão. Essas cordas são analisadas em termos de sua folha de mundo , e a energia é então tipicamente proporcional ao comprimento da corda. Como resultado, a tensão nessas cordas é independente da quantidade de alongamento.

Veja também

Referências

  1. ^ a b c d e Física para cientistas e engenheiros com física moderna , seção 5.7. Sétima edição, Brooks / Cole Cengage Learning, 2008.
  2. ^ A. Fetter e J. Walecka. (1980). Mecânica Teórica de Partículas e Continua . Nova York: McGraw-Hill.