FORȚA DE FORFECARE: FORȚE DE SUPRAFAȚĂ ȘI MASĂ - FIZIC - 2025

Forța de forfecare este o forță compusă care se caracterizează prin a fi paralelă cu suprafața pe care este exercitat și tinde să împartă corpul, deplasând secțiunile rezultate din tăiere.

Este reprezentată schematic în figura 1, în care este prezentată o forță de tăiere aplicată pe două puncte diferite ale unui creion din lemn. Forța de forfecare necesită, la rândul său, două forțe paralele și opuse, care, în funcție de intensitatea lor, sunt capabile să deformeze creionul sau să le fractureze definitiv.

Figura 1. forța de forfecare aplicată cu mâinile determină ruperea creionului. Sursa: Pixabay.

Deci, chiar dacă vorbim despre forța de forfecare la singular, în realitate se aplică două forțe, deoarece forța de forfecare este o forță compusă. Aceste forțe constau din două forțe (sau mai multe, în cazuri complexe) aplicate în puncte diferite pe un obiect.

Două forțe de aceeași mărime și direcție opusă, dar cu linii de acțiune paralele, constituie o pereche de forțe. Perechile nu oferă traducere obiectelor, deoarece rezultatul lor este zero, dar oferă un cuplu net.

Cu o pereche obiecte, cum ar fi volanul unui vehicul, sunt rotite sau pot fi deformate și rupte, ca în cazul creionului și a plăcii de lemn prezentate în figura 2.

Figura 2. Forța de forfecare împarte o bară de lemn în două secțiuni. Rețineți că forțele sunt tangențiale cu secțiunea transversală a jurnalului. Sursa: F. Zapata.

Forțele de suprafață și forțele de masă

Forțele compuse fac parte din așa-numitele forțe de suprafață, tocmai pentru că sunt aplicate pe suprafața corpurilor și nu sunt legate în niciun fel de masa lor. Pentru a clarifica punctul, să comparăm aceste două forțe care acționează frecvent asupra obiectelor: greutatea și forța de frecare.

Mărimea greutății este P = mg și, deoarece depinde de masa corpului, nu este o forță de suprafață. Este o forță de masă, iar greutatea este exemplul cel mai caracteristic.

Acum, frecarea depinde de natura suprafețelor de contact și nu de masa corpului pe care acționează, prin urmare, este un bun exemplu de forțe de suprafață care apar frecvent.

Forțe simple și forțe compuse

Forțele de suprafață pot fi simple sau compuse. Am văzut deja un exemplu de forță compusă în forța de forfecare, iar pentru partea sa, frecarea este reprezentată ca o forță simplă, deoarece o singură săgeată este suficientă pentru a o reprezenta în diagrama corpului izolat al obiectului.

Forțele simple sunt responsabile de imprimarea modificărilor la mișcarea unui corp, de exemplu știm că forța de frecare cinetică dintre un obiect în mișcare și suprafața pe care se mișcă, are ca rezultat o reducere a vitezei.

Dimpotrivă, forțele compuse tind să deformeze corpurile și în cazul foarfecelor sau foarfecelor, rezultatul final poate fi o tăietură. Alte forțe de suprafață, cum ar fi tensiunea sau compresia, prelungesc sau comprimă corpul pe care acționează.

De fiecare dată când roșia este tăiată pentru a pregăti sosul sau se folosește o foarfecă pentru secțiunea unei foi de hârtie, se aplică principiile descrise. Instrumentele de tăiere au de obicei două lame metalice ascuțite pentru a aplica forța de forfecare pe secțiunea transversală a obiectului care trebuie tocat.

Figura 3. Forța de forfecare în acțiune: una dintre forțe este aplicată de lama cuțitului, cealaltă este cea normală exercitată de tabla de tăiere. Sursa: Fotografie alimentară creată de katemangostar - freepik.es

Stres de forfecare

Efectele forței de forfecare depind de mărimea forței și a zonei asupra căreia acționează, astfel încât în ​​inginerie conceptul de efort de forfecare este utilizat pe scară largă, ceea ce ține cont atât de forță cât și de zonă.

Acest stres are alte semnificații, cum ar fi efortul de forfecare sau forța de forfecare, iar în construcțiile civile este extrem de important să o luăm în considerare, deoarece multe defecțiuni în structuri provin din acțiunea forțelor de forfecare.

Utilitatea sa este înțeleasă imediat atunci când se ia în considerare următoarea situație: să presupunem că aveți două bare din același material, dar diferite grosimi care sunt supuse forțelor în creștere până la rupere.

Este evident că pentru a rupe bara mai groasă trebuie aplicată o forță mai mare, cu toate acestea efortul este același pentru orice bară care are aceeași compoziție. Astfel de teste sunt frecvente în inginerie, având în vedere importanța selectării materialului potrivit pentru ca structura proiectată să funcționeze optim.

Stres și încordare

Matematic, dacă tensiunea de forfecare este notată ca τ, amploarea forței aplicate ca F și a zonei peste care acționează ca A, avem tensiunea forfecată medie:

Fiind raportul dintre forță și zonă, unitatea de efort din Sistemul Internațional este newton / m ² , numit Pascal și prescurtat ca Pa. În sistemul englezesc lira-forță / piciorul ² și lira-forță / inch ² .

Acum, în multe cazuri, obiectul supus efortului de forfecare este deformat și apoi își recuperează forma inițială fără a se rupe efectiv, odată ce stresul a încetat să mai acționeze. Să presupunem că deformarea constă într-o modificare a lungimii.

În acest caz, efortul și încordarea sunt proporționale, de aceea pot fi luate în considerare următoarele:

Simbolul ∝ înseamnă „proporțional cu” și în termeni de încordare, acesta este definit ca coeficientul dintre variația de lungime, care se va numi ΔL și lungimea inițială, numită L _o . În acest fel:

Modul de forfecare

Fiind un coeficient între două lungimi, tulpina nu are unități, dar atunci când plasează simbolul egalității, constanța de proporționalitate trebuie să le ofere. Apelarea lui G la constant:

G se numește modul de forfecare sau modul de forfecare. Are unități Pascal în Sistemul Internațional, iar valoarea acestuia depinde de natura materialului. Astfel de valori pot fi determinate în laborator prin testarea acțiunii forțelor diferite asupra probelor cu compoziție variată.

Când este necesar să se determine amploarea forței de forfecare din ecuația anterioară, pur și simplu se înlocuiește definiția tensiunii:

Forțele de forfecare sunt foarte frecvente și efectele lor trebuie luate în considerare în multe aspecte ale științei și tehnologiei. În construcții apar în punctele de sprijin ale grinzilor, pot apărea în timpul unui accident și pot rupe un os, iar prezența lor este capabilă să modifice funcționarea utilajelor.

Acționează la scară largă asupra scoarței terestre provocând fracturi de rocă și accidente geologice, datorită activității tectonice. De aceea, ei sunt, de asemenea, responsabili pentru conturarea continuă a planetei.

Referințe

1. Beer, F. 2010. Mecanica materialelor. 5-a. Ediție. McGraw Hill. 7 - 9.
2. Fitzgerald, 1996. Mecanica materialelor. Alfa Omega. 21-23.
3. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6 ^{T - lea} , Ed. Prentice Hall. 238-242.
4. Hibbeler, RC 2006. Mecanica materialelor. 6-a. Ediție. Pearson Education. 22 -25
5. Valera Negrete, J. 2005. Note privind fizica generală. UNAM. 87-98.
6. Wikipedia. Stres de forfecare. Recuperat de la: en.wikipedia.org.