Wann ist die Spannung in einem Seil konstant?

Stellen Sie sich ein masseloses Seil vor, bei dem an jedem Ende Zugkräfte wirken.

Wie entscheiden wir, ob die Spannung in einem Seil konstant ist oder nicht? Betrachten Sie einige Beispielszenarien:

  • Wenn zum Beispiel das Seil einen Knoten hat, ist die Spannung nicht durchgehend konstant (warum?.
  • Wenn das Seil über eine zylindrische Rolle mit nicht vernachlässigbarem Radius gehängt wird, ist die Spannung nicht konstant (warum?).
  • Wenn nichts das Seil berührt, z. B. 2 Personen an jedem Ende am Seil ziehen, ist die Spannung konstant (warum?).
Ich habe die Frage zur Verdeutlichung bearbeitet. Sie können die Änderungen gerne rückgängig machen, wenn Sie der Meinung sind, dass sie nicht gut war.

Antworten (3)

In einem masselosen Seil ist die Spannung konstant, es sei denn, irgendwo entlang des Seils wird eine Kraft ausgeübt. Warum? Weil sich jede Differenzspannung mit unendlicher Geschwindigkeit fortbewegen würde (da die Wellengeschwindigkeit umgekehrt zur Quadratwurzel der Masse pro Längeneinheit skaliert und das Seil masselos ist).

Der einzige Weg, einen Unterschied zu bewahren, ist daher

  • Aufbringen einer Kraft entlang des Seils (z. B. durch Reibung des Seils über eine Rolle )
  • Anbringen einer Masse an einem Punkt entlang des Seils und Beschleunigen dieser Masse (weil eine Nettokraft erforderlich ist, um die Masse zu beschleunigen).

Wenn das Seil einen Knoten hat, kommt es zu Reibung zwischen Teilen des Seils, was zu unterschiedlichen Spannungen in verschiedenen Teilen des Seils führt. Das Laufen des Seils über eine Rolle bedeutet jedoch nicht, dass es eine unterschiedliche Spannung gibt, es sei denn, die Rolle ist massiv und beschleunigt oder es gibt Reibung.

Wenn Sie akzeptieren, dass das Seil einen endlichen Durchmesser hat, kann das Biegen in einer Kurve zu unterschiedlichen Spannungen entlang des Durchmessers des Seils führen (die Außenseite, die stärker gedehnt wird, würde unter größerer Spannung stehen), aber das hängt von der Annahme ab, dass das Seil ist fest und von endlicher Größe; Wenn Seile aus verdrillten (oder gewebten) Filamenten bestehen, können diese Filamente gleiten, um die gleiche Spannung beizubehalten, wenn das Seil gebogen wird. Dies ist in der Tat ein wesentlicher Grund für diese Konstruktion (der andere ist, dass dies eine viel größere Flexibilität gewährleistet - beides geht Hand in Hand).

Die Spannung ist also nur im Gleichgewichtszustand konstant, richtig?
Statisches Gleichgewicht, ja.
Warum macht die mit unendlicher Geschwindigkeit reisende Differenzspannung die Spannung übrigens konstant, gibt es dafür einen Grund?
Im Grunde kann ein Unterschied nicht aufrechterhalten werden – er ist also nicht da. Dasselbe gilt für ein elektrisches Feld parallel zu einem Leiter - es würde Ladungen bewegen, bis es nicht mehr da ist. Der „masselose“ Teil bedeutet nur, dass es „unendlich schnell“ passiert …
SO bewegt sich die Differenzspannung schnell genug, dass es so aussieht, als würde sie nicht aufrechterhalten. Macht Sinn
@Floris Was passiert, wenn das Seil nicht masselos ist und Masse daran aufgehängt wird ... wird die Spannung in allen Teilen gleich sein, nur weil es im Gleichgewicht ist, oder wird es zunehmen
Sie wird zunehmen – an jedem Punkt muss die Spannung gleich dem Gewicht des Seils plus Masse unter diesem Punkt sein.
Werden die unterschiedlichen Spannungen, die das masselose Seil um die Umlenkrolle mit Masse aufbringt, durch Dehnung des masselosen Seils erreicht?
@Vinny Das ist eine interessante Frage. Die Dehnung kann eine Folge der Spannung sein, ist aber keine Bedingung (wenn wir voraussetzen, dass das Seil masselos ist, könnte es genauso gut einen unendlichen Modul haben - dh sich unter Spannung nicht dehnen). Der Spannungsunterschied kommt dadurch zustande, dass man im Kraftdiagramm auf der einen Seite des Seils eine zusätzliche Kraft hätte, auf der anderen Seite nicht). Natürlich gibt es kein „unendlich steifes, masseloses Seil“ und Überlegungen aus der realen Welt werden sich immer einschleichen …
"es sei denn, eine Kraft" meinst du nicht eine unausgeglichene Kraft? Wenn Sie an beiden Enden die gleichen Kräfte haben, ist die Spannung meiner Meinung nach gleich
@Buraian Ich habe gesagt "Spannung ist konstant, es sei denn ..." und meinte "eine zusätzliche Nettokraft". Ich dachte, das sei aus dem Zusammenhang ersichtlich.

Wenn die Masse des Seils extrem gering ist, würde der kleinste Unterschied der Zugkraft an einem Ende im Vergleich zur Zugkraft am anderen Ende zu einer enormen Beschleunigung führen. Das Seil verschiebt sich schnell, um den Zug auf beiden Seiten auszugleichen.

Selbst wenn das Seil eine beträchtliche Elastizität hat, ist die Spannung immer konstant, wenn seine Stärke vernachlässigbar ist. Eine Verzerrung an einem Ende würde sich mit unendlicher Geschwindigkeit entlang des Seils ausbreiten. Die Geschwindigkeit einer Welle auf einer Schnur ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Masse des Seils pro Längeneinheit.

Wenn ein gespanntes Seil nach vorne beschleunigt und Sie eine Hand daran festklemmen, damit die Hand auch nach vorne beschleunigt, muss der Vorwärtszug durch das Seil an Ihrer Hand größer sein als der Rückwärtszug durch das Seil an Ihrer Hand. Die Kraftdifferenz bewirkt, dass die Hand beschleunigt. Es ist die gleiche Idee, wenn ein Seil über eine Rolle läuft. Es muss ein Nettodrehmoment an der Riemenscheibe vorhanden sein, damit sie sich mit einer Beschleunigungsrate dreht, daher muss der Zug nach vorne durch das Seil an der Riemenscheibe größer sein als der Zug nach hinten. Es gibt einen Unterschied in der Spannung.

Ich denke nicht, dass die Idee, dass ein Knoten die Spannung im gesamten Seil nicht konstant machen würde, richtig ist (wenn das Seil „masselos“ ist).

Können Sie den Teil erklären: "Das Seil verschiebt sich schnell, um den Zug auf beiden Seiten auszugleichen. Wie kann eine Seilverschiebung die ungleiche Kraft auf beiden Seiten einer masselosen Schnur ausgleichen? Zum Beispiel, wenn eine Kraft von 7 N auf der rechten und 6 N auf der linken Seite angewendet wird Wie kann es bei einer masselosen Saite über die gesamte Saite die gleiche Spannung haben, und wie ist hier 7-6 = 0 * Beschleunigung gültig? Ich bin diesbezüglich verwirrt

Hier gibt es zwei sehr gute Antworten, möchten Sie nicht eine akzeptieren?

Ich denke auch, dass dies eine gute konzeptionelle Frage ist, das ist vielen nicht klar. Beide Antworten erklärten die Konstanz der Belastung unter den erforderlichen Bedingungen.

Ich füge noch einen Punkt hinzu, der von den anderen nicht ganz klar ist:
Ihre Aussage über die Rolle ist nur dann richtig, wenn (1) Reibung zwischen Seil und Rolle vorhanden ist und (2a) die Rolle eine Masse hat oder (2b) eine solche vorhanden ist Reibung in der Achse der Riemenscheibe. Aber das ist nichts Besonderes an der Rolle, es ist nur eine Folge der Kraftanwendung entlang des Seils.
Deine Aussage zum Knoten ist einfach falsch.