Tensión (física)

En física, tensión es la fuerza de tracción o estiramiento transmitida axialmente a lo largo de un objeto como una cuerda, cuerda, cadena, varilla, miembro de una armadura u otro objeto, para estirarlo o separarlo. el objeto. En términos de fuerza, es lo opuesto a la compresión. La tensión también podría describirse como el par de fuerzas acción-reacción que actúan en cada extremo de un objeto.

A nivel atómico, cuando los átomos o moléculas se separan entre sí y ganan energía potencial con una fuerza restauradora aún existente, la fuerza restauradora podría crear lo que también se llama tensión. Cada extremo de una cuerda o varilla bajo tal tensión podría tirar del objeto al que está unido, para restaurar la cuerda/varilla a su longitud relajada.

La tensión (como fuerza transmitida, como par de fuerzas de acción-reacción o como fuerza restauradora) se mide en newtons en el Sistema Internacional de Unidades (o libras-fuerza en unidades imperiales). Los extremos de una cuerda u otro objeto que transmite tensión ejercerán fuerzas sobre los objetos a los que está conectada la cuerda o varilla, en la dirección de la cuerda en el punto de unión. Estas fuerzas debidas a la tensión también se denominan "fuerzas pasivas". Hay dos posibilidades básicas para sistemas de objetos sostenidos por cuerdas: o la aceleración es cero y, por lo tanto, el sistema está en equilibrio, o hay aceleración y, por lo tanto, hay una fuerza neta presente en el sistema.

Tensión en una dimensión

La tensión en una cuerda es una cantidad vectorial no negativa. La tensión cero es floja. Una cuerda o cuerda a menudo se idealiza como una dimensión, que tiene longitud pero no tiene masa y tiene una sección transversal cero. Si no hay curvaturas en la cuerda, como ocurre con las vibraciones o las poleas, entonces la tensión es una constante a lo largo de la cuerda, igual a la magnitud de las fuerzas aplicadas por los extremos de la cuerda. Según la tercera ley de Newton, estas son las mismas fuerzas ejercidas sobre los extremos de la cuerda por los objetos a los que están unidos los extremos. Si la cuerda se curva alrededor de una o más poleas, todavía tendrá una tensión constante a lo largo de su longitud en la situación ideal en la que las poleas no tienen masa ni fricción. Una cuerda vibrante vibra con un conjunto de frecuencias que dependen de la tensión de la cuerda. Estas frecuencias pueden derivarse de las leyes del movimiento de Newton. Cada segmento microscópico de la cuerda tira y es tirado por sus segmentos vecinos, con una fuerza igual a la tensión en esa posición a lo largo de la cuerda.

Si la cuerda tiene curvatura, entonces los dos tirones de un segmento por parte de sus dos vecinos no suman cero y habrá una fuerza neta sobre ese segmento de la cuerda, lo que provocará una aceleración. Esta fuerza neta es una fuerza restauradora y el movimiento de la cuerda puede incluir ondas transversales que resuelven la ecuación central de la teoría de Sturm-Liouville:

$${\displaystyle -{\frac {\mathrm {d}{\mathrm {d}{\bigg [}\tau (x){\frac\mathrm {d}{\rho (x)}{\mathrm {d} {d} {} {}}} {\m} {}}} {\m}}}} {\m} {}}}}} {\m} {}}}}}} {\m}}}}} {\m}}}}} {\m}}} {\m}}}}}} {\m} {\m} {\m} {\m}}}}}}}}}}}} {\m}}}}}}} {\m} {\m}} {\m}}}} {\m} {\m} {\m}} {\m}}} {\m}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} x)=\omega ^{2}\sigma (x)\rho (x)}$$

${\displaystyle v(x)}$

${\displaystyle \sigma (x)}$

${\displaystyle \tau (x)}$

${\displaystyle \omega ^{2}$

${\displaystyle \rho (x)}$

Tensión de tres dimensiones

La tensión también se utiliza para describir la fuerza ejercida por los extremos de un material tridimensional y continuo como un miembro de varilla o tregua. En este contexto, la tensión es análoga a la presión negativa. Una varilla bajo alargas de tensión. La cantidad de alargamiento y la carga que causará el fracaso dependen tanto de la fuerza por área transversal como de la fuerza sola, por lo que el estrés = fuerza axial / área sección transversal es más útil para fines de ingeniería que la tensión. El estrés es una matriz 3x3 llamada tensor, y el ${\displaystyle \sigma _{11}$ El elemento del tensor de estrés es fuerza tensil por área, o fuerza de compresión por área, denotado como un número negativo para este elemento, si la varilla está siendo comprimido en lugar de alargada.

Así, se puede obtener un escalar análogo a la tensión tomando la traza del tensor de tensión.

Sistema en equilibrio

Un sistema está en equilibrio cuando la suma de todas las fuerzas es cero.

$${\displaystyle \sum {\vec}=0}$$

Por ejemplo, considere un sistema que consiste en un objeto que se baja verticalmente mediante una cuerda con tensión, T, a una velocidad constante. El sistema tiene una velocidad constante y, por lo tanto, está en equilibrio porque la tensión en la cuerda que tira del objeto es igual a la fuerza del peso, mg ("m" es masa, " g" es la aceleración causada por la gravedad de la Tierra), que empuja hacia abajo el objeto.

$${\displaystyle \sum {\vec}={\vec} {T}+m{\vec}=0}$$

Sistema bajo fuerza neta

Un sistema tiene una fuerza neta cuando se ejerce sobre él una fuerza desequilibrada, en otras palabras, la suma de todas las fuerzas no es cero. La aceleración y la fuerza neta siempre existen juntas.

$${\displaystyle \sum {\vec}\neq 0}$$

Por ejemplo, considere el mismo sistema que arriba pero suponga que el objeto está siendo ahora bajado con una velocidad creciente hacia abajo (aceleración positiva) por lo tanto existe una fuerza neta en algún lugar del sistema. En este caso, la aceleración negativa indicaría que ${\displaystyle Silenciomg confidenciales$.

$${\displaystyle \sum {\vec}={\vec} {T}-m{\vec}\neq 0}$$

En otro ejemplo, supongamos que dos cuerpos A y B tienen masas ${\displaystyle m_{1}$ y ${\displaystyle #$, respectivamente, están conectados entre sí por una cadena inextensible sobre una polea sin fricción. Hay dos fuerzas actuando en el cuerpo A: su peso (${\displaystyle w_{1}=m_{1}g$) tirar hacia abajo, y la tensión ${\displaystyle T}$ en la cuerda para arriba. Por consiguiente, la fuerza neta ${\displaystyle F_{1}$ en el cuerpo A ${\displaystyle ¿Qué?$, entonces ${\displaystyle m_{1}a=m_{1}g-T}$. En una cadena extensible, la ley de Hooke se aplica.

Pendientes en física moderna

Los objetos similares a cuerdas en las teorías relativistas, como las cuerdas utilizadas en algunos modelos de interacciones entre quarks, o las utilizadas en la teoría de cuerdas moderna, también poseen tensión. Estas cuerdas se analizan en términos de su hoja mundial, y la energía suele ser proporcional a la longitud de la cuerda. Como resultado, la tensión en dichas cuerdas es independiente de la cantidad de estiramiento.