fizikzauglom

เกรด 7 · งาน กำลัง และพลังงาน

คานและรอก

ระยะแขนโมเมนต์ โมเมนต์ของแรง สมดุลคาน และกฎทองของกลศาสตร์

24 นาที7 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ลองผลักประตูใกล้บานพับ แล้วผลักใกล้มือจับ แรงเท่ากันให้ผลต่างกัน สิ่งใดทำให้ได้เปรียบ ความยาวประตู จุดที่ผลัก หรือทิศแรงผลัก?

ประตูจากด้านบนโมเมนต์มากกว่าโมเมนต์น้อยกว่าบานพับด้านซ้ายแรงเท่ากัน ตำแหน่งต่างกัน
ภาพมองจากบน แรงเท่ากันตั้งฉากกับประตู เมื่อไกลบานพับ ระยะแขนโมเมนต์และโมเมนต์มากกว่า เมื่อใกล้ก็น้อยกว่า นี่คือการเปรียบเทียบผลที่ทำให้หมุน ไม่ได้หมายความว่าผลักใกล้บานพับแล้วประตูหมุนไม่ได้เลย

คานและจุดหมุน

ไม้กระดกอาจสมดุลเมื่อคนหนักอยู่ด้านแขนสั้นและคนเบาอยู่ด้านแขนยาว การเปรียบเทียบแรงอย่างเดียวไม่พอ ต้องดูว่าแรงทำให้ไม้หมุนรอบจุดรองรับได้มากเพียงใด วัตถุแข็งที่หมุนรอบจุดรองรับได้เรียกว่าคาน แรงหนึ่งอาจทำให้หมุนตามเข็มนาฬิกา อีกแรงทำให้หมุนทวนเข็ม ให้กำหนดแกนและทิศที่อาจหมุนก่อน แล้วจึงเปรียบเทียบผลของแรง

สองแรง หมุนตรงข้ามF₁F₂ทวนเข็มนาฬิกาตามเข็มนาฬิกาจุดรองรับคือจุดหมุนดูแรงอย่างเดียวไม่พอ
แรงคนละด้านของจุดรองรับพยายามทำให้คานหมุนทิศตรงข้าม ขนาดแรงอย่างเดียวบอกไม่ได้ว่าผลใดจะมากกว่า

หาแนวแรง

ต่อแนวลูกศรแรงออกทั้งสองด้าน จะได้แนวแรง จากแกนลากเส้นตั้งฉากถึงแนวนั้น ความยาว l คือระยะแขนโมเมนต์ ทำไมใช้ระยะนี้? การผลักตามแนวประตูตรงเข้าหาบานพับแทบไม่ทำให้หมุน แม้มืออยู่ไกลแกน เพราะแนวแรงผ่านแกนและระยะแขนโมเมนต์เป็นศูนย์ ระยะถึงจุดออกแรงจึงเท่ากับระยะแขนโมเมนต์เฉพาะเมื่อทิศแรงเหมาะสม ไม่ใช่ทุกกรณี

แขนโมเมนต์: ตั้งฉากกับแนวแรง2 м1 м2 Н4 Н2 · 2 = 4 · 1 = 4 Н·м
คานเอียงแต่แรงเป็นแนวดิ่ง ระยะแขนโมเมนต์คือระยะแนวระดับจากแกนถึงเส้นประแนวแรง ไม่ใช่ส่วนเอียงของคาน เนื่องจาก 2 Н · 2 м = 4 Н · 1 м โมเมนต์จึงเท่ากัน ไม่คิดน้ำหนักคาน ลูกศรแรงและระยะแขนใช้มาตราส่วนที่สอดคล้องกัน

วัดผลที่ทำให้หมุน

ผลที่ทำให้หมุนเพิ่มได้ทั้งจากแรงที่มากขึ้นและระยะแขนโมเมนต์ที่ยาวขึ้น วัดด้วยขนาดโมเมนต์ของแรง M = Fl เพิ่มตัวคูณหนึ่งเป็นสองเท่าโดยอีกตัวคงเดิม โมเมนต์เพิ่มเป็นสองเท่า หากแนวแรงผ่านแกน l = 0 และโมเมนต์เป็นศูนย์ แรงหน่วย N คูณระยะหน่วย m ได้ N·m โมเมนต์กับงานมีมิติเดียวกันแต่ความหมายต่างกัน ในที่นี้ไม่ได้กำหนดการกระจัด จึงเรียกหน่วยโมเมนต์ว่านิวตันเมตร ไม่ใช่จูล

M = F · lF = 4 Нl = 0,5 мM = 4 · 0,5 = 2 Н·мที่นี่ Н·м ไม่เรียกว่าจูล
โมเมนต์เท่ากับแรงคูณระยะแขนโมเมนต์ นิวตันคูณเมตรได้นิวตันเมตร ในที่นี้ไม่เรียกหน่วยนี้ว่าจูล เพราะโมเมนต์บอกผลที่ทำให้หมุน ไม่ใช่พลังงานที่ถ่ายโอน

เงื่อนไขสมดุล

เพื่อให้คานที่อยู่นิ่งไม่เริ่มหมุน ผลการหมุนในทิศตรงข้ามต้องสมดุล สำหรับสองแรงเช่นนี้ F₁l₁ = F₂l₂ ระยะแขนโมเมนต์สองเท่าใช้แรงเพียงครึ่งหนึ่ง เพราะผลคูณยังเท่ากัน ต้องคิดโมเมนต์ทุกแรงรวมแรงโน้มถ่วงของคานด้วย ละได้เมื่อโจทย์กำหนด หรือแนวแรงผ่านแกนจึงมีโมเมนต์ศูนย์ สูตรนี้อธิบายสมดุลการหมุนรอบแกนตรึง

F₁ · l₁ = F₂ · l₂0,6 м0,2 м2 Н6 Н2 · 0,6 = 6 · 0,2 = 1,2 Н·мไม่คิดน้ำหนักคาน
ไม่คิดน้ำหนักคาน แขนยาว 0.6 และ 0.2 m มีอัตราส่วน 3 ต่อ 1 แรง 2 และ 6 N มีอัตราส่วน 1 ต่อ 3 โมเมนต์ทั้งสองเท่ากับ 1.2 N·m ในทิศตรงข้าม ต่อแนวแรงถึงวงเล็บระยะแขนโมเมนต์

รอกเดี่ยวตายตัว

พาดเชือกผ่านล้อที่ตรึงแกนไว้ เมื่อดึงลงของจะขึ้น นี่คือรอกเดี่ยวตายตัว ในแบบจำลองอุดมคติ เชือกไม่มีมวล ไม่ยืด และไม่มีแรงเสียดทาน จึงมีแรงตึงเท่ากันทั้งสองด้าน เมื่อยกช้า แรงดึงมีขนาดเท่ากับแรงโน้มถ่วงของของ จึงไม่ได้เปรียบเชิงแรง รอกมีประโยชน์เพราะเปลี่ยนทิศแรงดึงให้สะดวก ทุกระยะหนึ่งเมตรที่ของขึ้น ต้องเลื่อนปลายเชือกอิสระหนึ่งเมตร

ของที่ยกดึง
แกนรอกถูกตรึงไว้ ดึงปลายอิสระลงแล้วของขึ้นเป็นระยะเท่ากัน เมื่ออยู่นิ่งหรือยกด้วยอัตราเร็วคงที่ แรงตึงเท่ากับแรงโน้มถ่วงของของ รอกตายตัวอุดมคติไม่ได้เปรียบเชิงแรง เชือกไม่มีมวลและไม่คิดแรงเสียดทาน

รอกเดี่ยวเคลื่อนที่

คราวนี้แขวนของกับตัวรอกที่เคลื่อนที่ได้ โดยมีเชือกแนวดิ่งสองเส้นรองรับ แต่ละเส้นในอุดมคติมีแรงตึง T เท่ากัน รวมเป็น 2T เมื่อยกช้าและน้ำหนักรอกน้อยจนละได้ 2T = mg ดังนั้นแรงดึงปลายอิสระคือ T = mg/2 รอกเดี่ยวเคลื่อนที่จึงได้เปรียบเชิงแรงสองเท่า หากเชือกเอียงหรือรอกหนัก ต้องทบทวนสมการนี้

เชือกสองเส้นรับของ20 Н10 Н10 НF = 10 Нดึงขึ้นสองแรง แรงละ 10 Н รวมเป็น 20 Н
ปลายซ้ายตรึงไว้ ปลายขวาอิสระถูกดึงขึ้น เชือกอ้อมใต้รอกและเชือกแนวดิ่งสองเส้นรองรับของ เมื่ออยู่นิ่งหรือยกด้วยอัตราเร็วคงที่ น้ำหนัก 20 N ในภาพแบ่งให้แรงตึงเส้นละ 10 N ไม่คิดน้ำหนักรอก เชือก และแรงเสียดทาน

เหตุใดงานจึงไม่ลดลง

เราได้งานมาโดยไม่ต้องจ่ายหรือ? ยกรอกเคลื่อนที่ขึ้น 1 m เชือกที่รองรับแต่ละเส้นจะสั้นลง 1 m จึงต้องดึงเชือกที่ปลายอิสระ 2 m แรงครึ่งหนึ่งกับระยะสองเท่าทำให้ Fs คงเดิม นี่คือกฎทองของกลศาสตร์ เครื่องกลอย่างง่ายในอุดมคติแลกแรงกับระยะทางโดยไม่ลดงาน การติดตามความยาวเชือกแสดงเหตุผลของกฎ ไม่ใช่เพียงให้จำกฎ

ก่อนยกหลังยก1 м2 мปลายเชือกเคลื่อนที่ไกลเป็นสองเท่าของของ
รอกตายตัวด้านบนเปลี่ยนทิศดึงเท่านั้น ภาพก่อนและหลังยกใช้รอกและของชุดเดิม ของขึ้น 1 m เชือกที่รองรับแต่ละเส้นสั้นลง 1 m และปลายอิสระลง 2 m การกระจัดใช้มาตราส่วนเดียวกัน ความยาวเชือกคงเดิม

เครื่องกลจริง

รอกจริงมีแรงเสียดทานที่แกน เชือกโค้งงอ และชิ้นส่วนเปลี่ยนรูป การยกเท่าเดิมจึงต้องป้อนงานมากกว่าแบบจำลองอุดมคติ แรงที่น้อยลงอาจช่วยให้ทำงานนั้นได้ แต่ไม่ได้หมายความว่าพลังงานรวมที่ใช้ลดลง แบบจำลองอุดมคติเป็นขอบเขตที่เข้าใจง่าย บอกการได้เปรียบเชิงแรงสูงสุดและช่วยแยกพลังงานเพิ่มเติมที่อุปกรณ์จริงต้องใช้

อุดมคติจริงป้อนเข้ามีประโยชน์ทั้งหมดป้อนเข้าเป็นประโยชน์แรงเสียดทานเครื่องไม่ได้สร้างพลังงาน
เครื่องอุดมคติไม่ลดงาน ส่วนเครื่องจริงยังต้องใช้งานต้านแรงเสียดทานและการเปลี่ยนรูป การผ่อนแรงไม่ได้สร้างพลังงาน

สมดุลคาน

แรง 50 N มีระยะแขนโมเมนต์ 0.4 m จงหาแรงที่ให้โมเมนต์ตรงข้ามด้วยระยะแขนโมเมนต์ 0.1 m ไม่คิดน้ำหนักคาน

ไม่คิดน้ำหนักคานl₁ = 0,4 мl₂ = 0,1 м50 НF₂ — ?แรงเท่าใดทำให้คานสมดุล?
แรง 50 N มีระยะแขนโมเมนต์ 0.4 m ต้องการโมเมนต์ตรงข้ามที่แขน 0.1 m โดยไม่คิดน้ำหนักคาน ขณะยังไม่รู้ F₂ หัวลูกศรบอกทิศเท่านั้น ระยะแขนและอุปกรณ์คงเดิมทุกขั้น

ลองดูตัวอย่าง · 1

โมเมนต์ของแรงแรกคือ 50·0,4 = 20 Н·м

คำนวณ M₁l₁ = 0,4 мl₂ = 0,1 м50 НF₂ — ?M₁ = 50 · 0,4 = 20 Н·м
ในอุปกรณ์เดิม คูณ 50 N ด้วยระยะแขนโมเมนต์ 0.4 m ได้ M₁ = 20 Н·м ซึ่งเป็นโมเมนต์ของแรงแรกรอบจุดรองรับ

ลองดูตัวอย่าง · 2

เพื่อให้สมดุล โมเมนต์ที่สองต้องเป็น 20 N·m เช่นกัน จึงได้ F₂ = 20/0,1 = 200 Н

M₂ = M₁ = 20 Н·мl₁ = 0,4 мl₂ = 0,1 м50 Н200 НF₂ = 20 / 0,1 = 200 Н
แรงที่สองต้องสร้างโมเมนต์ตรงข้าม 20 N·m ที่แขนเดิม 0.1 m ได้ F₂ = 200 Н ตอนนี้ลูกศรแรงทั้งสองใช้มาตราส่วนเดียวกัน 200 N เป็นสี่เท่าของ 50 N

ลองดูตัวอย่าง · 3

ระยะแขนโมเมนต์สั้นกว่าสี่เท่า จึงต้องใช้แรงมากกว่าสี่เท่า

โมเมนต์ยังเท่ากันl₁ = 0,4 мl₂ = 0,1 м50 Н200 Нแขน ÷ 4, แรง × 4
ในอุปกรณ์เดิม แขน 0.4 และ 0.1 m มีอัตราส่วน 4 ต่อ 1 แรง 50 และ 200 N มีอัตราส่วน 1 ต่อ 4 ขนาดทุกส่วนและลูกศรแรงสอดคล้องกับอัตราส่วนเหล่านี้ โมเมนต์เท่ากัน

เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า

แรงคือ 200 N ระยะแขนโมเมนต์สั้นกว่าสี่เท่าต้องใช้แรงมากกว่าสี่เท่าเพื่อให้โมเมนต์เท่าเดิม

ใจความสำคัญ · 1

โมเมนต์ M = Fl ขึ้นกับระยะถึงแนวแรง แม้ออกแรงไกลแกนก็อาจมีระยะแขนโมเมนต์เป็นศูนย์

ใจความสำคัญ · 2

โมเมนต์ทิศตรงข้ามที่เท่ากันอธิบายว่าแขนยาวช่วยให้แรงน้อยสมดุลกับแรงมากได้อย่างไร

ใจความสำคัญ · 3

รอกตายตัวเปลี่ยนทิศดึง รอกเคลื่อนที่ได้เปรียบเชิงแรงแลกกับระยะ เครื่องจริงต้องใช้งานป้อนเพิ่มเติม

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

สำหรับเครื่องจริง เราจะเปรียบเทียบงานที่เป็นประโยชน์กับงานป้อนทั้งหมด และติดตามการเปลี่ยนรูปพลังงาน

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

คาน

วัตถุแข็งที่หมุนรอบจุดรองรับได้ และถ่ายทอดผลของแรงที่มีระยะแขนโมเมนต์ต่างกัน

ระยะแขนโมเมนต์ยาวช่วยให้แรงน้อยสมดุลกับแรงมากที่แขนสั้นได้

รอกและกฎทอง

เครื่องกลอย่างง่ายได้เปรียบเชิงแรงแลกกับระยะที่มากขึ้น และในอุดมคติไม่ได้ลดงานที่ต้องใช้

รอกตายตัวเปลี่ยนทิศแรง ส่วนรอกเคลื่อนที่อุดมคติลดแรงที่ต้องใช้เหลือครึ่งหนึ่ง

โมเมนต์ของแรง

ปริมาณเท่ากับแรงคูณระยะแขนโมเมนต์ ใช้บอกผลของแรงที่ทำให้หมุน

ระยะแขนโมเมนต์คือระยะสั้นที่สุดจากแกนถึงแนวแรง ไม่ใช่เพียงความยาวทั้งคาน

ปริมาณทางฟิสิกส์

2 ปริมาณ

โมเมนต์ของแรง

M

ผลคูณของแรงกับระยะแขนโมเมนต์รอบแกน

หน่วย: นิวตันเมตร · \mathrm{Н}\cdot\mathrm{м}

ระยะแขนโมเมนต์

l

ระยะสั้นที่สุดจากแกนถึงแนวแรง

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

สูตรบทเรียน

2 สูตร

โมเมนต์ของแรง

M = Fl

ขนาดโมเมนต์ของแรงเท่ากับขนาดแรงคูณระยะแขนโมเมนต์

สมดุลคาน

F_1l_1 = F_2l_2

คานสมดุลเมื่อโมเมนต์ที่ทำให้หมุนในทิศตรงข้ามเท่ากัน

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

คานและระยะแขนโมเมนต์

F₁d₁ = F₂d₂

คานแข็งไม่มีมวล จุดหมุนตรึงและไม่มีแรงเสียดทาน แรงเป็นแนวดิ่ง คำนวณ F₂ ให้สมดุลโดยอัตโนมัติ ไม่ได้จำลองการเอียง

ถ้าเพิ่มระยะแขนโมเมนต์ด้านขวาจาก 1 เป็น 2 m แรง F₂ ที่ทำให้สมดุลจะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

แสดงเวกเตอร์
F₁F₂d₁d₂N = F₁ + F₂

ผลการคำนวณ

F₂
10 Н
M₁
10 Н·м
M₂
10 Н·м
N
20 Н
อธิบายผล

ระยะแขนโมเมนต์สองเท่าทำให้แรงที่ต้องใช้เหลือครึ่งหนึ่ง ต้องสมดุลโมเมนต์ ไม่ใช่เพียงขนาดแรง แรงปฏิกิริยาจากจุดหมุนทำให้แรงแนวดิ่งสมดุล

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ