如何理解绳的张力?

作者: 薛德堡

来源: 公众号:物含妙理

发布日期: 2023-04-03 11:25:22

本文详细解释了张力的概念,指出张力并非物质主动膨胀或反抗压缩产生的力,而是物体内部为抵抗拉伸形变产生的力。文章通过物理学和数学的角度,分析了张力的性质和计算方法,并澄清了一些常见的误解。

说到张力(tension force),不少⼈有点迷迷糊糊的,还有⼈⾃以为理解了,但其实理解错误。从字⾯理解,“张”不就是“往外扩张”嘛?所以“张⼒”不就是⼀种从中间往外扩张的⼒吗?基于这种理解,有⼈认为张⼒是物质主动膨胀⽽产⽣的⼒,也有⼈认为张⼒是物质为了反抗压缩形变⽽产⽣的⼒。但这样的理解显然是错误的!例如,我们经常说“绳⼦的张⼒”,但绳⼦显然不会主动膨胀,也⽆法产⽣反抗压缩的⼒。

其实,可从两个不同的⻆度看张⼒。第⼀个⻆度,物体由于受到拉⼒,它内部的每个地⽅都被往外拉,这种被拉的⼒就是张⼒。这种理解下,张⼒是从内指向外的。第⼆个⻆度,物体由于受到拉⼒,为了恢复弹性形变,物体内部的每个地⽅都会产⽣⼀种往内收缩的⼒,这种抵抗拉⼒的收缩⼒就是张⼒。这种理解下,张⼒是从外指向内的。显然,这两种理解下的张⼒互为作⽤⼒与反作⽤⼒,根据⽜顿第三定律,它们的⼤⼩是相等的。

可⻅,张⼒并不是反抗压缩⽽导致的,恰恰相反,张⼒是反抗拉伸⽽导致的。因此可以说,张⼒的“张”,不是扩张的“张”,⽽是紧张的“张”。你可能会好奇,物体由于反抗压缩⽽导致的⼒是什么⼒呢?没错,是压⼒!例如物体两端受到往中间的推⼒,这时候物体内部就产⽣了压⼒了。与张⼒类似,压⼒也可从两个⻆度来看,因此也有两种不同的⽅向,读者可⾃⾏理解。我们继续聊张⼒。

在上⾯对张⼒的解释中,提到了物体“内部的每个地⽅”,这个“地⽅”是物体内垂直于拉⼒的任意⼀个截⾯,这个截⾯不是物质的⾯,⽽是数学上的⾯,它的质量为零,实际上并不存在!因此,物体内任意截⾯两侧的物质在此产⽣相互的拉⼒,根据⽜顿第三定律,这两个拉⼒必然相等,其中任意⼀个拉⼒都可代表该截⾯处的张⼒。所以,张⼒就是物体在截⾯处相互的拉⼒,这是张⼒的最直观理解。

这个直观的理解告诉我们,张⼒与截⾯是⼀⼀对应的。⽽截⾯可⽤空间坐标来标识,例如⼀拉直的细绳,以左端为原点,任何截⾯就可以⽤⼀个正实数表示。这样⼀来,张⼒就与坐标对应起来了!⽤数学的语⾔说就是:张⼒是坐标的函数!细绳的情形最简单,坐标只有⼀个,写出来就是考察绳中处在和的两个截⾯,其张⼒分别为和。把这两个截⾯间的⼀段绳当作受⼒对象来看,它受到点左边的绳和点右边的绳的拉⼒分别就是张⼒和。

这两个拉⼒相反,故合⼒为,设这段绳质量为,根据⽜顿第⼆定律可知对轻绳来说,由于,故,所以张⼒不随位置改变,张⼒是⼀个常数,所以轻绳的张⼒⼤⼩处处都相等。据此可知,为什么⼀根轻绳或轻弹簧各处的拉⼒都是⼀样的?因为它们内部任意截⾯处的张⼒都是⼀样的嘛!⽽加速度也导致。所以,⼀根即使有质量的⽔平杆或绳⼦,若受拉⼒⽽处于平衡状态,它⼀端受的拉⼒⼀定会不变的传到另⼀端,因为各处的张⼒也是相等的。

⽆论⼀根轻绳绕过多少个轻滑轮,只要不分叉,绳⼦处处的拉⼒必然⼀样。即使将轻绳和轻弹簧连起来,他们的拉⼒也处处相等。如上图,若滑轮质量不计,则与弹簧相连的绳⼦上各点的弹⼒都与该弹簧的弹⼒⼤⼩相等。不过,像下⾯这种情况,由于弹簧和绳⼦并不是直接连在⼀起的,所以它俩的拉⼒当然就不同了。可别⼩看这个问题。没有理解这⼀点,有时会很迷惑。

例如,两个倔强系数分别为和的轻弹簧串联在⼀起,如下图所示系统总的倔强系数是但如何得到这个结果呢?你可能有不同的⽅法,但若根据上述轻绳内张⼒处处相等的规律,很容易得到结果。把这两个轻弹簧看作⼀根轻弹簧时,张⼒,也就是拉⼒,处处相等,故故总的倔强系数为由于,代⼊上式即可得结果。

很多⼈觉得,弹簧的弹⼒是弹簧作为整体形变⽽产⽣的,所以弹簧的弹⼒是每⼀段弹簧的弹⼒累加,因此他们认为弹簧中的⼀部分受到的弹⼒肯定⽐总的弹⼒⼩。显然,这种理解是错误的。弹簧张⼒各处都是⼀样的,所以,弹簧任⼀段都受到与整个弹簧⼀样⼤的弹⼒作⽤。什么时候,绳⼦的张⼒各处不⼀样?当然就是在绳⼦有质量且加速运动的时候。例如下⾯这道题。

⼀个⻓为,质量为的绳⼦放在光滑⽔平⾯上(图中绳⼦腾空了,你就脑补⼀下放在⽔平⾯上的样⼦吧),左端连接⼀个质量为的物体,当在绳⼦右端施加⼀个⽔平向右的拉⼒时,绳⼦内部任意点的张⼒是多少?⽤整体法,系统只受⼀个外⼒,故整体的加速度为对绳中的⼀段来说,它的加速度也是,⽽它所受合⼒即为处的张⼒和处张⼒之差,故也就是为了简化表述,定义常量则。

设坐标处的张⼒为,则处的张⼒为类似地,处的张⼒为假设把绳⼦从到最右端之间分成段,则也就是由于从点到最右端的⻓度为,故⽽绳⼦的最右端,作为⼀个截⾯,那⾥的两个相互作⽤的拉⼒,其中⼀个向右的是外⼒,⽽向左的就是张⼒,根据⽜顿第三定律,它们相等,故从⽽得到处的张⼒为当时,上式分别为可⻅,绳⼦两端点处的张⼒总是等于绳⼦在对应位置所受的外⼒。这就是张⼒的边界条件。

对学过微积分的同学,上⾯的过程可以⾮常简单,⽜顿⽅程直接变为两边同时积分即可得到结果。注意,上式左边积分的上限为什么是?同样是因为经过分析发现,右端⾯处的张⼒等于外⼒。这⾥还有⼀个数学问题需要澄清。有⼈认为,对某变量,增量或微分就是它的⼀部分,⽽求和或积分应该就是它本身。这种理解会导致你看不懂上⾯对张⼒的积分式。实际上,你要注意区分不同的情况,搞清楚变量到底是什么。

如果,是像体积、质量这种满⾜“整体等于部分之和”的量,这种理解就没有问题。此时积分的确就是它的总量。但很多时候,变量本身并不能被加起来,就⽐如上⾯这个例⼦中的张⼒,把各处的张⼒都加起来没有任何意义啊!当变量随时空变化时,它的微分量代表变量在两个时空点之间的差值。

在这种情况下,当你从⼀个时空点出发,求和或积分到另⼀个时空点时,你得到的不是的值,也不是它的总和,⽽是变量在最后那个时空点和第⼀个时空点之间的总差值!

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