Кіріспе

Физикада кернеу – бұл арқан, тізбек, шынжыр, таяқша, фермалық элемент немесе басқа да дененің бойымен ось бойымен берілетін тартылу немесе созылу күші. Күш тұрғысынан алғанда, ол қысылудың қарама-қарсысы болып табылады. Кернеуді дененің екі шетінде әрекет ететін күштер жұбының өзара әрекеті ретінде де сипаттауға болады. Атомдық деңгейде, атомдар немесе молекулалар бір-бірінен алыстатылғанда және қалпына келтіру күші әлі де бар болса, потенциалдық энергия жинап алады, ал қалпына келтіру күші кернеу деп аталатын күшті тудыруы мүмкін. Мұндай кернеуде жіптің немесе таяқтың әр ұшы оған бекітілген денені тарта алады, жіптің/таяқтың бастапқы ұзындығына қайтару үшін. Кернеу (өткізілген күш ретінде, күштер жұбының өзара әрекеті ретінде немесе қалпына келтіру күші ретінде) Халықаралық жүйеде Ньютонмен (немесе британдық жүйеде фунт-күшпен) өлшенеді. Кернеуді өткізетін жіптің немесе дененің ұштары, жіп немесе таяқ жалғастырылған дененің жалғасқан жерінен жіп бағытында күш түсіреді. Мұндай күштер "пассивті күштер" деп те аталады. Жіптермен ұсталып тұрған дененің жүйелері үшін екі негізгі мүмкіндік бар: үдеу нөлге тең және жүйе тепе-теңдікте болады, немесе үдеу бар, демек жүйеде жалғыз күш әрекет етеді.

Бір өлшемдегі кернеу

Сызықтағы кернеу – теріс емес векторлық шама. Кернеудің нөлге тең болуы – жіптің босаңсуы. Жіп немесе арқан көбінесе бірөлшемді деп есептеледі, яғни ұзындығы бар, бірақ массасыз және көлденең қимасы нөлге тең. Егер жіпте тербелістер немесе шкивтер сияқты иілулер болмаса, онда кернеу жіп бойымен тұрақты болады және жіптің ұштарына қолданылатын күштердің шамасына тең болады. Ньютонның үшінші заңына сәйкес, бұл күштер жіптің ұштарына бекітілген денелердің жіпке әсер ететін күштерімен бірдей. Егер жіп бір немесе бірнеше шкивтердің үстінен өтетін болса, шкивтердің массасыз және үйкеліссіз екендігі шартты болғанда, жіп бойымен тұрақты кернеу сақталады. Дірілдемелі жіптің діріл жиілігі жіптегі кернеуге байланысты. Бұл жиіліктерді Ньютонның қозғалыс заңдары арқылы табуға болады. Жіптің әрбір микроскопиялық бөлігі көршілес бөліктерінен тартылады және кернеуге тең күшпен тартылады. Егер жіп қисық болса, онда екі көршілес бөліктен әсер ететін күштер бір-бірін жоймайды, нәтижесінде жіптің бұл бөлігінде қосымша күш пайда болады, ол үдеуге алып келеді. Бұл қосымша күш – қайта қалпына келтіру күші, ал жіптің қозғалысы Штурм-Лиувилл теориясының орталық теңдеуін шешетін көлденең толқындарды қамтуы мүмкін: мұндағы – бірлік ұзындығына шаққандағы күш константасы [ауданына шаққандағы күш бірліктері], – , – , ал – жіптегі көлденең орын ауыстырудың резонанстарына сәйкес келетін өзіндік мәндер, және шешімдер әртүрлі гармоникаларды қамтиды.

Үш өлшемді кернеу

Кернеу сондай-ақ үш өлшемді, үздіксіз материалдың – мысалы, таяқ немесе фермалық элементтердің – ұштарына әсер ететін күшті сипаттау үшін де қолданылады. Осы контексте кернеу теріс қысымға аналогты. Кернеуге ұшыраған таяқ ұзарады. Ұзару мөлшері және бұзуға себеп болатын жүктеме күштің өзіне емес, көлденең қима ауданына шаққандағы күшке байланысты болғандықтан, кернеу = осьтік күш / көлденең қима ауданы инженерлік мақсаттар үшін кернеуден гөрі көбірек пайдалы. Кернеу – тензор деп аталатын 3x3 матрица, ал кернеу тензорының бір элементі – ауданға шаққандағы керілу күші немесе ауданға шаққандағы қысылу күші. Егер таяқ ұзарған емес, қысылса, бұл элемент үшін теріс санмен белгіленеді. Осылайша, кернеу тензорының іздерін есептеу арқылы кернеуге аналогты скаляр алуға болады.

Тепе-теңдіктегі жүйе

Жүйе барлық күштердің қосындысы нөлге тең болғанда тепе-теңдікте болады. Мысалы, Т кернеуімен тік төмен қанағаттану жылдамдығымен төмен түсірілген денені қарастырайық. Жүйенің жылдамдығы тұрақты болғандықтан, ол тепе-теңдікте, себебі жіптегі кернеу, денені жоғары қарай тартады, денені төмен қарай тартатын салмақ күшіне mg (мұндағы "m" – масса, "g" – Жердің гравитациясынан туындаған үдеу) тең.

Таза күшпен жұмыс істейтін жүйе

Жүйеге теңгерімсіз күш әсер еткенде, оның таза күші болады, яғни барлық күштердің қосындысы нөлге тең емес. Үдеу және таза күш әрқашан бірге болады. Мысалы, жоғарыдағыдай жүйені қарастырайық, бірақ егер объект қазір төмен қарай өсу үдеуімен төмендесе (оң үдеу), онда жүйеде бірде-бір таза күш болады. Бұл жағдайда, теріс үдеу мынаны көрсетеді: Тағы бір мысал келтірейік, егер А және В денелерінің массалары сәйкесінше және болса, олар сүргішсіз шкив арқылы созылмайтын арқанмен байланысқан. А денесіне екі күш әсер етеді: оның салмағы төмен қарай тартады, ал арқандағы кернеу жоғары қарай тартады. Сондықтан, А денесіне әсер ететін таза күш , демек, созылатын арқанға Гук заңы қолданылады.

Қазіргі физикадағы тізбектер

Релятивистік теориялардағы, мысалы, кварктар арасындағы өзара әрекеттесудің кейбір модельдерінде қолданылатын немесе қазіргі заманғы string теориясындағы жіп тәрізді объектілер де кернеуге ие. Бұл жіптер олардың әлемдік беті арқылы талданады, ал энергия көбінесе жіптің ұзындығына пропорционалды болады. Осының салдарынан, мұндай жіптердегі кернеу созылу деңгейіне тәуелсіз.