Isi

• Langkah
• Metode 1 dari 2: Menentukan gaya tarik pada untai tunggal
• Metode 2 dari 2: Menghitung gaya tarik pada beberapa untaian

Dalam fisika, gaya tarik adalah gaya yang bekerja pada tali, tali, kabel, atau benda atau sekelompok benda yang sejenis. Apa pun yang ditarik, digantung, ditopang, atau digoyangkan oleh tali, tali, kabel, dan sebagainya, akan dikenai gaya tarik. Seperti semua gaya, tegangan dapat mempercepat objek atau menyebabkannya berubah bentuk.Kemampuan menghitung gaya tarik merupakan keterampilan penting tidak hanya bagi mahasiswa fisika, tetapi juga bagi para insinyur, arsitek; Mereka yang membangun rumah yang stabil perlu mengetahui apakah tali atau kabel tertentu akan menahan gaya tarik dari berat benda sehingga tidak melorot atau runtuh. Mulailah membaca artikel untuk mempelajari cara menghitung gaya tarik di beberapa sistem fisik.

Langkah

Metode 1 dari 2: Menentukan gaya tarik pada untai tunggal

1. 1 Tentukan gaya pada setiap ujung utas. Gaya tarik dari sebuah benang, tali, adalah hasil dari gaya-gaya yang menarik tali pada setiap ujungnya. Kami mengingatkan Anda gaya = massa × percepatan... Dengan asumsi tali dalam keadaan kencang, setiap perubahan percepatan atau massa suatu benda yang digantungkan pada tali akan mengubah tegangan pada tali itu sendiri. Jangan lupa tentang percepatan gravitasi yang konstan - bahkan jika sistem dalam keadaan diam, komponennya adalah objek dari aksi gravitasi. Kita dapat mengasumsikan bahwa gaya tarik tali yang diberikan adalah T = (m × g) + (m × a), di mana "g" adalah percepatan gravitasi dari salah satu benda yang didukung oleh tali, dan "a" adalah percepatan lain yang bekerja pada benda.
   • Untuk memecahkan banyak masalah fisik, kita asumsikan tali yang sempurna - dengan kata lain, tali kita tipis, tidak memiliki massa dan tidak dapat meregang atau putus.
   • Sebagai contoh, mari kita pertimbangkan sistem di mana beban ditangguhkan dari balok kayu menggunakan tali tunggal (lihat gambar). Baik beban itu sendiri maupun tali tidak bergerak - sistem dalam keadaan diam. Akibatnya, kita tahu bahwa agar beban seimbang, gaya tarik harus sama dengan gaya gravitasi. Dengan kata lain, gaya tarik (F_T) = Gravitasi (F_G) = m × g.
     • Misalkan beban memiliki massa 10 kg, maka gaya tarik adalah 10 kg × 9,8 m / s = 98 Newton.
2. 2 Pertimbangkan akselerasi. Gravitasi bukan satu-satunya gaya yang dapat mempengaruhi gaya tarik tali - gaya apa pun yang diterapkan pada benda di tali dengan percepatan menghasilkan efek yang sama. Jika, misalnya, sebuah benda yang digantungkan pada tali atau kabel dipercepat oleh suatu gaya, maka gaya percepatan (massa × percepatan) ditambahkan ke gaya tarik yang dihasilkan oleh berat benda itu.
   • Misalkan, dalam contoh kita, sebuah beban 10 kg digantungkan pada seutas tali, dan bukannya diikat pada balok kayu, ia ditarik ke atas dengan percepatan 1 m / s. Dalam hal ini, kita perlu memperhitungkan percepatan beban, serta percepatan gravitasi, sebagai berikut:
     • F_T = F_G + m × a
     • F_T = 98 + 10 kg × 1 m / s
     • F_T = 108 Newton.
3. 3 Pertimbangkan percepatan sudut. Sebuah benda pada tali yang berputar di sekitar titik yang dianggap sebagai pusat (seperti bandul) memberikan tegangan pada tali melalui gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal adalah gaya tarik tambahan yang dibuat oleh tali dengan “mendorongnya” ke dalam sehingga beban terus bergerak dalam busur daripada dalam garis lurus. Semakin cepat benda bergerak, semakin besar gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal (F_C) sama dengan m × v / r di mana "m" adalah massa, "v" adalah kecepatan, dan "r" adalah jari-jari lingkaran di mana beban bergerak.
   • Karena arah dan nilai gaya sentrifugal berubah tergantung pada bagaimana benda bergerak dan mengubah kecepatannya, tegangan total pada tali selalu sejajar dengan tali di titik pusat. Ingatlah bahwa gaya gravitasi terus-menerus bekerja pada objek dan menariknya ke bawah. Jadi jika benda tersebut berayun vertikal, tegangan penuh yang terkuat pada titik terendah busur (untuk bandul ini disebut titik setimbang), ketika benda mencapai kecepatan maksimumnya, dan yang paling lemah di bagian atas busur saat objek melambat.
   • Mari kita asumsikan bahwa dalam contoh kita, objek tidak lagi dipercepat ke atas, tetapi berayun seperti bandul. Biarkan tali kita sepanjang 1,5 m, dan beban kita bergerak dengan kecepatan 2 m / s, ketika melewati titik terendah ayunan.Jika kita perlu menghitung gaya tegangan pada titik terendah busur, ketika itu terbesar, maka pertama-tama kita perlu mencari tahu apakah beban mengalami tekanan gravitasi yang sama pada titik ini, seperti dalam keadaan diam - 98 Newton. Untuk menemukan gaya sentrifugal tambahan, kita perlu menyelesaikan yang berikut:
     • F_C = m × v / r
     • F_C = 10 × 2/1.5
     • F_C = 10 × 2,67 = 26,7 Newton.
     • Jadi, tegangan totalnya adalah 98 + 26,7 = 124,7 Newton.
4. 4 Perhatikan bahwa gaya tarik karena gravitasi berubah saat beban bergerak melalui busur. Seperti disebutkan di atas, arah dan besarnya gaya sentrifugal berubah saat benda bergoyang. Bagaimanapun, meskipun gaya gravitasi tetap konstan, gaya tarik bersih karena gravitasi perubahan juga. Ketika benda yang berayun adalah bukan pada titik terendah busur (titik keseimbangan), gravitasi menariknya ke bawah, tetapi gaya tarik menariknya ke atas membentuk sudut. Untuk alasan ini, gaya tarik harus menahan sebagian dari gaya gravitasi, dan bukan keseluruhannya.
   • Membagi gaya gravitasi menjadi dua vektor dapat membantu Anda memvisualisasikan keadaan ini. Pada sembarang titik pada busur benda yang berayun vertikal, tali membentuk sudut dengan garis yang melalui titik kesetimbangan dan pusat rotasi. Segera setelah bandul mulai berayun, gaya gravitasi (m × g) dibagi menjadi 2 vektor - mgsin (θ), yang bekerja secara tangensial terhadap busur ke arah titik kesetimbangan dan mgcos (θ), yang bekerja sejajar dengan tegangan kekuatan, tetapi dalam arah yang berlawanan. Tegangan hanya dapat menahan mgcos (θ) - gaya yang melawannya - tidak semua gaya gravitasi (kecuali untuk titik kesetimbangan, di mana semua gaya adalah sama).
   • Mari kita asumsikan bahwa ketika pendulum dimiringkan 15 derajat dari vertikal, ia bergerak dengan kecepatan 1,5 m / s. Kami akan menemukan gaya tarik dengan tindakan berikut:
     • Perbandingan gaya tarik dengan gaya gravitasi (T_G) = 98cos (15) = 98 (0,96) = 94,08 Newton
     • Gaya sentrifugal (F_C) = 10 × 1,5 / 1,5 = 10 × 1,5 = 15 Newton
     • Tegangan penuh = T_G + F_C = 94,08 + 15 = 109,08 Newton.
5. 5 Hitung gesekannya. Benda apa pun yang ditarik oleh tali dan mengalami gaya "pengereman" dari gesekan benda lain (atau cairan) mentransfer efek ini ke tegangan di tali. Gaya gesekan antara dua benda dihitung dengan cara yang sama seperti dalam situasi lain - menggunakan persamaan berikut: Gaya gesekan (biasanya ditulis sebagai F_R) = (mu) N, di mana mu adalah koefisien gaya gesekan antara benda dan N adalah gaya interaksi biasa antara benda, atau gaya yang mereka tekan satu sama lain. Perhatikan bahwa gesekan saat diam - gesekan yang terjadi sebagai akibat dari upaya untuk membuat benda yang diam menjadi bergerak - berbeda dengan gesekan gerak - gesekan yang dihasilkan dari upaya memaksa benda yang bergerak untuk terus bergerak.
   • Mari kita asumsikan bahwa beban 10 kg kita tidak lagi bergoyang, sekarang ditarik secara horizontal dengan tali. Misalkan koefisien gesekan gerakan bumi adalah 0,5 dan beban kita bergerak dengan kecepatan konstan, tetapi kita perlu memberinya percepatan 1m / s. Masalah ini memperkenalkan dua perubahan penting - pertama, kita tidak perlu lagi menghitung gaya tarik dalam kaitannya dengan gravitasi, karena tali kita tidak menopang berat. Kedua, kita harus menghitung tegangan akibat gesekan dan juga karena percepatan massa beban. Kita perlu memutuskan hal-hal berikut:
     • Gaya Biasa (N) = 10kg & × 9,8 (Percepatan Gravitasi) = 98 N
     • Gaya gesekan gerak (F_R) = 0,5 × 98 N = 49 Newton
     • Gaya percepatan (F_Sebuah) = 10 kg × 1 m / s = 10 Newton
     • Tegangan total = F_R + F_Sebuah = 49 + 10 = 59 Newton.

Metode 2 dari 2: Menghitung gaya tarik pada beberapa untaian

1. 1 Angkat beban paralel vertikal dengan katrol. Balok adalah mekanisme sederhana yang terdiri dari cakram tersuspensi yang memungkinkan arah gaya tarik tali dibalik. Dalam konfigurasi balok sederhana, tali atau kabel berjalan dari beban yang ditangguhkan ke atas ke balok, lalu turun ke beban lain, sehingga menciptakan dua bagian tali atau kabel. Bagaimanapun, tegangan di setiap bagian akan sama, bahkan jika kedua ujungnya ditarik oleh gaya yang berbeda besarnya. Untuk sistem dua massa yang ditangguhkan secara vertikal dalam sebuah balok, gaya tarik adalah 2g (m₁) (M₂) / (M₂+ saya₁), di mana "g" adalah percepatan gravitasi, "m₁"Apakah massa benda pertama," m₂»Apakah massa benda kedua.
   • Perhatikan berikut ini, masalah fisik mengasumsikan bahwa blok sempurna - tidak memiliki massa, gesekan, tidak putus, tidak berubah bentuk dan tidak terpisah dari tali yang menopangnya.
   • Misalkan kita memiliki dua beban yang digantungkan secara vertikal pada ujung tali yang paralel. Satu beban memiliki massa 10 kg, dan yang lainnya memiliki berat 5 kg. Dalam hal ini, kita perlu menghitung yang berikut:
     • T = 2g (m₁) (M₂) / (M₂+ saya₁)
     • T = 2 (9,8) (10) (5) / (5 + 10)
     • T = 19,6 (50) / (15)
     • T = 980/15
     • T = 65,33 Newton.
   • Perhatikan bahwa, karena satu bobot lebih berat, semua elemen lainnya sama, sistem ini akan mulai berakselerasi, oleh karena itu, bobot 10 kg akan bergerak ke bawah, memaksa bobot kedua naik.
2. 2 Suspend weights menggunakan balok dengan string vertikal non-paralel. Balok sering digunakan untuk mengarahkan gaya tarik ke arah selain ke atas atau ke bawah. Jika, misalnya, sebuah beban ditangguhkan secara vertikal dari salah satu ujung tali, dan ujung lainnya menahan beban pada bidang diagonal, maka sistem balok yang tidak sejajar berbentuk segitiga dengan sudut di titik-titik dengan yang pertama beban, yang kedua dan blok itu sendiri. Dalam hal ini, tegangan tali tergantung baik pada gaya gravitasi maupun pada komponen gaya tarik, yang sejajar dengan bagian diagonal tali.
   • Misalkan kita memiliki sistem dengan beban 10 kg (m₁), digantung secara vertikal, dihubungkan dengan beban 5 kg (m₂) terletak pada bidang miring 60 derajat (diyakini bahwa kemiringan ini tidak memberikan gesekan). Untuk mencari tegangan tali, cara termudah adalah dengan menulis persamaan gaya-gaya yang mempercepat beban terlebih dahulu. Selanjutnya, kita bertindak seperti ini:
     • Beban yang ditangguhkan lebih berat, tidak ada gesekan, jadi kita tahu bahwa itu mengalami percepatan ke bawah. Tegangan tali ditarik ke atas sehingga mengalami percepatan terhadap resultan gaya F = m₁(g) - T, atau 10 (9,8) - T = 98 - T.
     • Kita tahu bahwa beban pada bidang miring dipercepat ke atas. Karena tidak memiliki gesekan, kita tahu bahwa tegangan menarik beban ke atas pesawat, dan menariknya ke bawah hanya berat badan Anda sendiri. Komponen gaya yang menarik ke bawah bidang miring dihitung sebagai mgsin (θ), jadi dalam kasus kami, kami dapat menyimpulkan bahwa ia mengalami percepatan sehubungan dengan gaya yang dihasilkan F = T - m₂(g) sin (60) = T - 5 (9,8) (0,87) = T - 42,14.
     • Jika kita menyamakan kedua persamaan ini, kita mendapatkan 98 - T = T - 42,14. Cari T dan dapatkan 2T = 140,14, atau T = 70,07 Newton.
3. 3 Gunakan beberapa helai untuk menggantung objek. Sebagai kesimpulan, mari kita bayangkan objek digantung dari sistem tali "berbentuk Y" - dua tali dipasang ke langit-langit dan bertemu di titik tengah dari mana tali ketiga dengan beban berasal. Gaya tarik tali ketiga jelas - tarikan sederhana karena gravitasi atau m (g). Tegangan pada dua tali lainnya berbeda dan akan bertambah menjadi gaya yang sama dengan gravitasi ke atas pada posisi vertikal dan nol pada kedua arah horizontal, dengan asumsi sistem dalam keadaan diam. Ketegangan tali tergantung pada berat beban yang ditangguhkan dan pada sudut di mana setiap tali dibelokkan dari langit-langit.
   • Mari kita asumsikan bahwa dalam sistem berbentuk Y kami, berat bagian bawah memiliki massa 10 kg dan digantung oleh dua tali, salah satunya adalah 30 derajat dari langit-langit dan yang lainnya adalah 60 derajat. Jika kita perlu mencari tegangan pada masing-masing tali, kita perlu menghitung komponen horizontal dan vertikal dari tegangan tersebut. Untuk menemukan T₁ (tegangan pada tali, yang kemiringannya 30 derajat) dan T₂ (ketegangan pada tali itu, yang kemiringannya 60 derajat), Anda harus memutuskan:
     • Menurut hukum trigonometri, hubungan antara T = m (g) dan T₁ dan T₂ sama dengan kosinus sudut antara masing-masing tali dan langit-langit. Untuk T₁, cos (30) = 0,87, untuk T₂, cos (60) = 0,5
     • Kalikan tegangan di tali bawah (T = mg) dengan kosinus setiap sudut untuk menemukan T₁ dan T₂.
     • T₁ = 0,87 × m (g) = 0,87 × 10 (9,8) = 85,26 Newton.
     • T₂ = 0,5 × m (g) = 0,5 × 10 (9,8) = 49 Newton.