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En física , la tensión se describe como la fuerza de tracción transmitida axialmente por medio de una cuerda, un cable, cadena u objeto continuo unidimensional similar, o por cada extremo de una varilla, elemento de truss u objeto tridimensional similar; La tensión también podría describirse como el par de fuerzas de acción-reacción que actúan en cada extremo de dichos elementos. La tensión podría ser lo opuesto a la compresión .

A nivel atómico, cuando los átomos o moléculas se separan entre sí y obtienen 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.

En física, la tensión, como fuerza transmitida, como un par de fuerzas de acción-reacción, o como una fuerza restauradora, puede ser una fuerza y tiene las unidades de fuerza medidas en newtons (oa veces libras-fuerza ). Los extremos de una cuerda u otro objeto que transmita 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 los sistemas de objetos sostenidos por cuerdas: [1] o la aceleración es cero y, por lo tanto, el sistema está en equilibrio, o hay aceleración y, por lo tanto, una fuerza neta está presente en el sistema.

9 hombres del equipo campeón irlandés de tira y afloja tiran de una cuerda. La cuerda en la foto se extiende a una ilustración dibujada que muestra segmentos adyacentes de la cuerda. Un segmento se duplica en un diagrama de cuerpo libre que muestra un par de fuerzas de acción-reacción de magnitud T que tiran del segmento en direcciones opuestas, donde T se transmite axialmente y se llama fuerza de tensión. Este extremo de la cuerda está tirando del equipo de tira y afloja hacia la derecha. Cada segmento de la cuerda es tirado por los dos segmentos vecinos, lo que tensiona el segmento en lo que también se llama tensión, que puede cambiar a lo largo de los miembros de los campos de fútbol.

Tensión en una dimensión [ editar ]

La tensión en una cuerda de tetherball.

La tensión en una cuerda es una cantidad escalar no negativa . La tensión cero está 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 dobleces 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 tensión constante a lo largo de su longitud en la situación idealizada de que las poleas no tienen masa ysin fricción . Una cuerda vibrante vibra con un conjunto de frecuencias que dependen de la tensión de la cuerda. Estas frecuencias se pueden derivar de las leyes del movimiento de Newton . Cada segmento microscópico de la cuerda tira y es jalado 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 sus dos vecinos no se sumarán a cero, y habrá una fuerza neta en 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 :

donde es la constante de fuerza por unidad de longitud [unidades de fuerza por área] y son los valores propios de las resonancias de desplazamiento transversal en la cuerda, [2] con soluciones que incluyen los diversos armónicos en un instrumento de cuerda .

Tensión de tres dimensiones [ editar ]

La tensión también se usa para describir la fuerza ejercida por los extremos de un material continuo tridimensional, como una varilla o un elemento de armadura . Tal varilla se alarga bajo tensión. La cantidad de alargamiento y la carga que causará fallas dependen de la fuerza por área de sección transversal en lugar de la fuerza sola, por lo que tensión = fuerza axial / área de sección transversal es más útil para fines de ingeniería que la tensión. La tensión es una matriz de 3x3 llamada tensor , y el elemento del tensor de tensión es la fuerza de tracción por área, o la fuerza de compresión por área, indicada como un número negativo para este elemento, si la varilla se comprime en lugar de alargarse.

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

Sistema en equilibrio [ editar ]

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

[1]

Por ejemplo, considere un sistema que consiste en un objeto que está siendo bajado verticalmente por 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 hacia arriba del objeto, es igual a la fuerza del peso , mg ("m" es masa, "g" es la aceleración causada por el gravedad de la Tierra ), que está tirando hacia abajo del objeto.

[1]

Sistema bajo fuerza neta [ editar ]

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

[1]

Por ejemplo, considere el mismo sistema que el anterior, pero suponga que el objeto ahora se baja con una velocidad creciente hacia abajo (aceleración positiva), por lo tanto, existe una fuerza neta en algún lugar del sistema. En este caso, una aceleración negativa lo indicaría .

[1]

En otro ejemplo, suponga que dos cuerpos A y B que tienen masas y , respectivamente, están conectados entre sí por una cuerda inextensible sobre una polea sin fricción. Hay dos fuerzas que actúan sobre el cuerpo A: su peso ( ) tirando hacia abajo y la tensión en la cuerda tirando hacia arriba. Por lo tanto, la fuerza neta sobre el cuerpo A es así . En una cadena extensible, se aplica la ley de Hooke .

Cuerdas en la física moderna [ editar ]

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 de mundo , y la energía suele ser proporcional a la longitud de la cuerda. Como resultado, la tensión en tales cuerdas es independiente de la cantidad de estiramiento.

Ver también [ editar ]

  • Mecánica de Medios Continuos
  • Factor de caída
  • Tensión superficial
  • Fuerza de Tensión
  • Presion hidrostatica

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c d e Física para científicos e ingenieros con física moderna , sección 5.7. Séptima edición, Brooks / Cole Cengage Learning, 2008.
  2. ^ A. Fetter y J. Walecka. (1980). Mecánica Teórica de Partículas y Continua . Nueva York: McGraw-Hill.