Что называют напряжением: Что называется электрическим напряжением? В каких единицах оно выражается?

Содержание

Что называется напряжением в точке тела на данной площадке? в каких единицах оно измеряется?

Очевидно, что в общем случае нагружения внутренние силы в стержне распределены и по его длине, и по его поперечному сечению неравномерно. Для суждения об интенсивности внутренних сил в некоторой точке поперечного сечениястержня вводится понятие онапряжениив этой точке.Это понятие является ключевым понятием в сопротивлении материалов.

Напряжением в точке тела K (обозначим его буквой p) называется интенсивность внутренней силы , возникающей на бесконечно малой площадкев окрестности данной точки(рис. 1.4,а).

Вколичественном выражении напряжение, возникающее в точке тела на площадке ,равно .

Понятие о напряжениив точке твердого тела в некотором смысленапоминаетпонятие одавлении

, действующем внутри жидкости. Однако, хотя эти два понятия и сопоставимы, необходимо отметить следующее. Давление в точке жидкостиодинаковово всех направлениях. Если же мы проведем через точкуK тела другое сечение, то в новый разрез попадет другаяпружинка, и иной, в общем случае, будет и внутренняя сила. Следовательно, иным будет и напряжение, хотя оно и возникает в той же самой точкеK.

Таким образом, напряжение в точке тела в разных направлениях (на разных площадках, проходящих через данную точку тела) может быть различным (в частности, оно может возникать только в одном направлении).

Понятие о напряжениив точке деформируемого твердого тела ввел в 1822 г. французский ученыйОгюстен Луи Коши (1789 – 1857 гг.).

В дальнейшем мы увидим, что основную роль в расчетах прочности конструкций играет не

полное напряжениеp, а его проекции на оси координатx, yиz:нормальное напряжение (– сигма), направленное по перпендикуляру к площадке (параллельно осиz), икасательныенапряжения (–тау), лежащие в плоскости сечения и направленные, соответственно, вдоль осейxи y(рис. 1.4,б). Первый индексzу касательных напряжений характеризует нормаль к площадке, на которой они возникают.

Между полным , нормальными касательными напряжениямиисуществует следующая очевидная зависимость:

.

Отметим, что касательныенапряжения служат мерой тенденции одной части сечениясмещаться(илискользить) относительно другой его части.

Единица измерения нормальных и касательных напряжений в системе СИ – паскаль (Па). Один паскаль – это напряжение, при котором на площадке в один квадратный метр возникает внутренняя сила, равная одному

ньютону(то есть равная, приблизительно, весу одного яблока). Как мы увидим в дальнейшем, эта единица напряжения мизерно мала. В сопротивлении материалов чаще используются другие единицы:

1 МПа = 106 Па; 1 кН/см2107 Па = 10 МПа.

В технической системе единиц напряжения, как правило, измеряются в килограммах силы на миллиметр (или сантиметр) в квадрате (кгс/мм2или кгс/см2) . Следует запомнить, что 1 кН/см21 кгс/мм2.

В заключение необходимо отметить следующее. Ведя речь о напряжениях или о внутренних силовых факторах, мы не рекомендуемговорить, что онидействуют

в поперечном (или некотором другом) сечении стержня, как поступают авторы некоторых учебниках по сопротивлению материалов. Правильнее говорить, что онивозникают в рассматриваемом сечении стержня, поскольку при деформировании стержня и напряжения, и внутренние силовые факторыпротиводействуютвнешней нагрузке, то есть не играютактивнойроли. В крайнем случае, слово«действуют»следует употреблять, заключая его в кавычки.

        1. Тогда еще один вопрос. Бесконечную систему внутренних сил, которая возникает в поперечном сечении стержня, мы приводим к центру тяжести сечения. В результате получаем так называемые главный вектор и главный момент. Но почему мы здесь используем слово «главный»?

Эти старые термины, конечно, неудачны и могут дезориентировать студента. Они возникли в результате неверного перевода французского слова «generale», обозначающего«общий»,а вовсе не«главный». Эти термины имеют слишком большой «стаж». Они закрепились в великом множестве изданных книг и стали уже традиционными.

        1. И последний вопрос. Почему в некоторых учебниках по сопротивлению материалов для обозначения тела, у которого один размер значительно превышает два других его размера помимо термина «стержень» используются и такие, например, слова, как «балка», «вал», «стойка» и «брус»?

Нам кажется, что термин«стержень» наиболее универсален. Он может употребляться при любом виде деформации.

Термин«балка»– только в том случае, когда речь идетоб изгибе,«вал» –при кручении,«стойка» – в задачах устойчивости. Термин«брус»представляется не очень удачным (этот термин из лексикона строительного дела, в частности, он используется в специальном курседеревянныхконструкций).

2. РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ

Растяжение и сжатие – это наиболее простой и часто встречающийся вид деформации, поэтому именно с этой темы мы и продолжим нашу беседу. На растяжение (сжатие) работают многие элементы конструкций: стержни ферм, колонны, канаты лебедок, штоки паровых машин и др.

  1. Какая деформация называется растяжением (сжатием)? Какие внутренние усилия возникают в поперечных сечениях при растяжении (сжатии)?

Растяжением (сжатием)называется такой вид деформации стержня, при котором происходит изменение его первоначальной длины.

Растяжение (сжатие) стержня вызывается внешними силами, действующими вдоль его оси z,проходящей через центр тяжести поперечного сечения. При этом в любомпоперечномсечении стержнявозникаеттолько одно внутреннее усилие –продольная силаN, которая является равнодействующей всех внутренних сил, возникающих в каждой точке этого сечения и направленныхпараллельнооси стержня.

  1. Что называется эпюрой продольных сил, и с какой целью она строится?

В тех случаях, когда продольные силы, возникающие в различных поперечныхсечениях стержня, неодинаковы, закон их изменения подлинестержня представляется в виде графика, называемогоэпюрой продольных сил N. Эта эпюра наглядно демонстрирует нам, какие участки стержня испытываю растяжение, а какие – сжатие. При этом

продольную силу N, противодействующую растяжению стержня принято считать положительной, а сжатию – отрицательной. ЭпюраN необходима для оценкипрочностистержня и строится для того, чтобы найтиопасное сечение, то есть, как правило, то его поперечное сечение, в котором продольная сила принимаетнаибольшеепо абсолютной величине значение.

Построение эпюры Nпроизводится с помощью рассмотренного нами вышеметода сечений. Продемонстрируем его применение на следующем примере (рис. 2.1).

Мы покажем, как определяется продольная сила Nтолько в одном, намеченном нами поперечном сечении (рис. 2.1,а). В других поперечных сечениях стержня она может быть определена по аналогии.

Прежде всего, нам необходимо найти опорную реакцию R(рис. 2.1,б).

Направим ее, например, вверх.

Составим уравнение равновесия длявсегостержня:

.

Отсюда находим, что

кН.

Знак «плюс»

в)

в полученном результате говорит нам о том, что предварительное направление опорной реакциибыло выбрано верно.

Разрежем теперь стержень по намеченному сечению имысленноотбросим его нижнюю часть. Действие отброшенной части стержня нам необходимозаменить продольной силойN. Это мы можем осуществить следующими

двумяспособами.

Первый способ – направлять продольную силу N от сечения, то есть предполагать, что она противодействует растяжению стержня.В этом случае положительный результат, полученный послеуравновешиванияоставленной части стержня, укажет нам на то, что внутренняя сила действительно соответствует растяжению, а отрицательный – что она противодействует сжатию. По-существу, этот способ являетсяформальным.

Второй способ – направлять продольную силу, согласно здравому смыслу. То есть, ориентироваться на значения внешних сил, действующих на рассматриваемую часть стержня, и помнить о том, что силаNдолжна ихуравновесить. Тогда знак «плюс» в решении покажет, «угадали» или «не угадали» мы истинное направление продольной силы.

Проиллюстрируем первый способ. Направим,не задумываясь, внутреннюю силуNот сечения (рис. 2.1,в).

Для удобства вычисления значения продольной силы N закроем отброшенную нами нижнюю часть стержня, листком бумаги. Разрушение стержня в рассматриваемом нами поперечном сечениине произойдетв том случае, если внутреннее усилиеN уравновеситвнешние силыRи, то есть те силы, которые мывидим. Записываем уравнение равновесия:

кН. (2.1)

Знак «минус» в полученном результате говорит нам о том, что в рассматриваемом сечении возникает продольное усилие N, противодействующеесжатию стержня.

Аналогичный результат мы получим и при отбрасывании верхней части стержня. Убедимся в этом, воспользовавшись теперь (для иллюстрации) вторым способом. Закром верхнюю часть стержня листком бумаги. Мы увидим, что внешняя силакН растягивает, а силакН сжимает нижнюю часть стержня. Продольное усилиеN, возникающее в рассматриваемом нами поперечном сечении стержня, должно уравновесить эти две силы. Поскольку, силаN должна быть направлена к сечению стержня, то есть противодействоватьсжатию. Тогда

кН.

С учетом принятого выше правила знаков, на эпюре продольных сил найденное значение Nдолжно быть отложено со знаком «минус».

Таким образом, мы получили тот же самый результат.

Электрическое напряжение. Единица напряжения. Вольтметр

Физика. 8 класс. Барьяхтар

Каждый, наверное, слышал предостерегающее «Не подходи — там высокое напряжение!», возмущенное «Снова упало напряжение в сети!», вопросительное «На какое напряжение рассчитан этот прибор?». Из данного параграфа вы узнаете, что такое напряжение и почему на всех электротехнических устройствах приводят его значение.

1. Даём определение электрического напряжения

В § 23 было доказано, что направленное движение свободных заряженных частиц (электрический ток) возможно благодаря действию на эти частицы силы со стороны электрического поля. А из курса физики 7 класса вы знаете, что когда тело движется в результате действия силы и направление движения тела совпадает с направлением этой силы, то сила выполняет работу. Следовательно, когда в участке цепи идет ток, то электрическое поле выполняет работу. Эту работу называют работой тока.

Работа, которую может выполнить или выполняет электрическое поле, перемещая заряд по данному участку цепи, определяется электрическим напряжением.

Электрическое напряжение на участке цепи — это физическая величина, которая численно равна работе электрического поля по перемещению единичного заряда по данному участку цепи.

Напряжение обозначают символом U и определяют по формуле:

где А — работа, которую выполняет (или может выполнить) электрическое поле по перемещению заряда q по данному участку цепи.

Единица напряжения в СИ — вольт (названа в честь А. Вольты):

[U] = 1 В.

1 В — это такое напряжение на участке цепи, при котором электрическое поле выполняет работу 1 Дж, перемещая по данному участку заряд, равный 1 Кл:

Кроме вольта на практике часто применяют кратные и дольные единицы напряжения: микровольт (мкВ), милливольт (мВ), киловольт (кВ):

1 мкВ = 10-6В; 1 мВ = 10-3В; 1 кВ = 103В.

Так, электрическое напряжение на клеточной мембране или микрочипе составляет несколько микровольт, а между облаками во время грозы — сотни киловольт.

• А знаете ли вы, какое напряжение подается в ваш дом? на аккумулятор вашего мобильного телефона во время его зарядки?

2. Проводим аналогию

Обратившись к аналогии между электрическим током и течением воды (см. § 26), можно сделать вывод, что напряжение аналогично разности уровней воды в сосудах. Если уровни воды в сосудах одинаковы, то вода течь не будет. Аналогично, если на концах участка электрической цепи отсутствует напряжение, то тока в участке не будет.

Чем больше разница уровней воды в сосудах, тем большую работу выполнит сила тяжести при падении воды массой 1 кг. Соответственно чем больше напряжение на концах участка цепи, тем большую работу выполнит электрическая сила при перемещении заряда 1 Кл.

3. Измеряем напряжение, знакомимся с вольтметром

Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр (рис. 28.1). Вольтметр очень похож на амперметр — и внешне, и по принципу действия.

Рис. 28.1. Некоторые виды вольтметров: а — школьный демонстрационный; б — школьный лабораторный

Как и любой измерительный прибор, вольтметр не должен влиять на значение измеряемой величины. В случае параллельного присоединения вольтметра к определенному участку электрической цепи значение напряжения на этом участке практически не изменяется.

Правила измерения напряжения вольтметром

1. Вольтметр присоединяют параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение (рис. 28.2).

Рис. 28.2. Измерение вольтметром напряжения на лампе: а — общий вид; б — схема электрической цепи

2. Клемму вольтметра, возле которой стоит знак «+», следует соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока; клемму со знаком «-» — с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

3. Для измерения напряжения на полюсах источника тока вольтметр присоединяют непосредственно к клеммам источника (рис. 28.3).

Рис. 28.3. Измерение вольтметром напряжения на полюсах источника тока

Учимся решать задачи

Задача. Напряжение на клеммах автомобильного аккумулятора равно 12 В. С какой высоты должен упасть груз массой 36 кг, чтобы сила тяжести выполнила такую же работу, какую выполняет электрическое поле, перемещая заряд 300 Кл по одной из электрических цепей автомобиля?

Анализ физической проблемы. По условию задачи работа силы тяжести равна работе электрического тока: А = Атока. Записав формулу для работы силы тяжести и формулу для работы тока, определим высоту падения груза.

Подводим итоги

Контрольные вопросы

1. Докажите, что если в проводнике течет ток, то электрическое поле выполняет работу. 2. Что называют напряжением на участке цепи? 3. По какой формуле определяют электрическое напряжение? 4. В каких единицах измеряют напряжение? 5. Дайте определение единицы напряжения. 6. Какой прибор используют для измерения напряжения? Какие правила необходимо соблюдать при измерении напряжения?

Упражнение № 28

1. На рис. 1 изображены шкалы разных вольтметров. Определите цену деления каждой шкалы и напряжение на каждом вольтметре.

Рис. 1

2. На рис. 2 изображена схема электрической цепи. Перенесите схему в тетрадь и покажите на ней, где следует присоединить вольтметр, чтобы измерить напряжение на лампе. Обозначьте полярность клемм вольтметра.

Рис. 2

3. Во время перемещения по участку цепи заряда, равного 3 Кл, электрическое поле выполнило работу 0,12 кДж. Определите напряжение на участке цепи.

4. Электрическое поле, перемещая по участку цепи заряд 60 Кл, выполняет такую же работу, какую выполняет сила тяжести при падении тела массой 200 г с высоты 360 м. Чему равно напряжение на участке?

5. На рис. 3 изображена схема электрической цепи. Определите работу электрического тока в лампе за 1 ч, если показания амперметра и вольтметра соответственно 0,5 А и 220 В.

Рис. 3

6. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, составьте задачу на определение работы электрического тока в некотором электротехническом устройстве.

7. По графику зависимости силы упругости Fупр от удлинения х пружины определите жесткость k пружины (рис. 4). Зависит ли жесткость пружины от силы упругости? от удлинения пружины?

Рис. 4

Попередня

Сторінка

Наступна

Сторінка