大家有拔河的經驗嗎？

想想看

若拔河用的粗繩在地面上時

伸手去握住繩子

是否有感覺到繩子拉扯的力量？

和正在拔河時繩子給予的感覺是否一樣呢？

換個地方來到實驗室

在這裡單擺是常見且簡單結構的實驗裝置

僅需一條繩子和一個重物即可

而在單擺擺動的過程中

可以看到繩子處於拉緊的狀態

並非鬆弛

這般狀態的繩子才能夠讓單擺擺動

是為什麼呢？

在彈力單元中

我們知道

彈簧在受到外力作用而造成形變時

會有想要恢復成原狀的力量

我們稱為恢復力或彈力

彈簧之所以有這樣的力量

是彈簧分子結構的關係

當穩定的分子結構受到外力的作用而改變距離

進而破壞原本穩定平衡的狀態

如拉遠或推擠的外力

其中的電磁力就會作用以抵抗外力

這就是恢復力的來源

而根據虎克的實驗發現

彈簧的彈力

具有與物體形變量成正比之特性

從生活中的情境可以發現

拔河的繩子需要互相拉緊才能夠產生力量

單擺亦是如此

這樣拉緊繩子才存在的力

稱為張力Tension

tension的意思就是拉緊

不是因為心裡很緊張所以有壓力唷

因繃緊而產生的拉力

可視為繩子被拉緊而伸長所產生的回復力

也就是說

拔河如果只有一端有人

因為沒有兩端的施力將其拉緊

那繩子便無法產生張力

我們思考一下

繩子和彈簧有什麼異同之處

為何僅能夠拉緊才有力量？

可以將繩子思考為彈性係數非常大的

且不能壓縮的彈簧

因彈性常數極大

所以形變量非常小

無法用彈力公式得到繩子張力的大小

也因為彈性係數極大

在擠壓繩子時

會先使繩子扭曲

而不會造成繩子壓縮

因此並沒有推力

僅有拉力

在不考慮繩子質量的情況下

可以將繩子思考為力量傳遞的媒介

例如定滑輪

利用滑輪與繩子的配合

沿繩子方向改變施力方向

以方便施力

或者利用繩子拉重物

手拉繩子與繩子拉重物的力量相等

就像將手部的拉力

藉由繩子傳遞至重物

利用上述概念我們可以知道

若物體受到繩子的張力作用

因拉緊關係

張力必由施力點

沿繩子方向

指離受力物

此外

我們並無法直接用公式得到張力大小

只能夠使用力與力的關係式

例如當物體利用繩子懸掛在天花板

對物體而言受到兩個力量

分別是重力與繩子張力

繩張力與重力大小相等

故得知T等於W

利用合力為零的關係式得到繩張力的大小

或者將一個質量為20公斤的物體放置在光滑水平面上

利用繩子拉動物體

使物體具有5公尺每秒平方的加速度

我們也可以利用牛頓第二定律

F等於ma

得到繩張力F等於20乘以5等於100牛頓

得到繩張力的大小

總結來說

繩張力的大小必須依靠物體的狀態

如等加速度、等速圓周運動、靜力平衡等等

列式計算才能知道其張力大小

讓我們回顧一下今天所學到的內容：

繩子因拉緊而產生的拉力

稱為張力Tension

張力的方向由施力點

沿繩子方向

指離受力物

張力的大小：

使用力與力的關係式求得

如合力等於零或利用牛頓第二定律

張力應用包含改變施力方向的定滑輪組

利用繩子傳遞施力的推車等

在近幾年瘋迷全球的懸浮裝置Tensegrity

就是張力的應用

「Tensegrity」是由「Tension張力」與「Integrity共構、整
體」

兩字組合而成

直譯為中文就是「張拉共構體」或「張拉整體」

是一種結構原理

從畫面中可看到此裝置似乎是違反重力的漂浮物體

其中的關鍵在於中間那條細繩

由於繩子無法壓縮而只能提供緊繃的拉力

因此若是缺少中間那條細繩

上方的木平台就會垮下來

所以只要拉緊中間那條細繩

就會使得上方的木平台向上抬升

從而拉緊四周的繩子

大約2到4條

對於上方的木平台而言

中央的細繩施予它向上的拉力

四周的繩子則施予它向下的拉力

木平台重量加上這些向下的拉力總和等於向上的拉力

最後一起想一想

我們知道虎克定律

並非所有情形都能適用

彈簧伸長後須在彈性限度內

也就是彈簧可以恢復成原狀的形變量內

才能夠使用彈力公式

繩子張力有限制嗎？

如果有

是什麼限制呢？

超過限制會發生什麼事？

其中的機制又是什麼？

歡迎留言分享你的想法喔！

我們下次見囉

bye bye