什麼是張力計算器?
張力(Tension)是指當繩索、纜線、細繩或鏈條兩端受到反向拉力而繃緊時,沿著它傳遞的拉力。這個計算器能算出單一重物被繩索懸吊或拉升時所承受的張力(單位為牛頓),並可一併考慮垂直方向的加速度。它使用通用的牛頓運動方程式 \(T = m(g + a)\),因此放諸四海皆準,不涉及任何特定國家的規則。
使用方法
請輸入三個數值:被支撐的質量(公斤)、系統的垂直加速度(公尺/秒²,向上為正、向下為負),以及當地的重力加速度 \(g\)(地球預設為 9.81 公尺/秒²)。計算器會回傳繩索的張力,並同時列出重物的靜態重量以供對照。
公式詳解
根據牛頓第二運動定律,懸吊重物所受的淨向上合力等於質量乘以加速度:\(T - mg = ma\)。移項整理後即得 $$T = m(g + a)$$ 當重物靜止或以等速運動時(\(a = 0\)),張力就等於重量,即 \(T = mg\)。若重物向上加速,張力會大於重量;若向下加速,張力則小於重量。
實例演算
一個 10 公斤的木箱以 2 公尺/秒² 向上提升,\(g = 9.81\) 公尺/秒²。$$\text{張力} = 10 \times (9.81 + 2) = 10 \times 11.81 = 118.1 \text{ N}$$ 它的靜態重量為 \(10 \times 9.81 = 98.1\) N,因此向上加速使張力多增加了 20 N。
常見問題
如果重物只是靜止懸吊呢?將加速度設為 0,此時張力即等於重量 \(mg\)。
下降中的電梯該如何計算?使用負的加速度。例如 \(a = -2\) 公尺/秒² 會使張力小於重量。
g 該用什麼數值?地球表面的標準值為 9.81 公尺/秒²。月球請用 1.62,火星請用 3.71。