Động lực học quay là một trong những nhánh quan trọng của vật lý học. Nó mô tả lý do cho sự chuyển động của các vật thể theo hình tròn quanh một trục nhất định. Một trong những đại lượng quan trọng của động lực học chuyển động quay là mômen của lực hay còn gọi là mômen. Mômen lực là gì? Hãy cùng khám phá khái niệm này trong bài viết này.
Bạn nên biết gì về sự luân chuyển của các cơ thể?
Trước khi đưa ra câu trả lời cho câu hỏi mômen của lực là gì, hãy mô tả quá trình quay theo quan điểm của hình học vật lý.
Mỗi người hình dung trực quan những gì đang bị đe dọa. Phép quay ngụ ý chuyển động như vậy của một vật thể trong không gian, khi tất cả các điểm của nó di chuyển dọc theo các đường tròn quanh trục hoặc điểm nào đó.
Không giống như chuyển động thẳng, quá trình quay được mô tả bằng các đặc điểm vật lý góc. Trong số đó có góc quay θ, vận tốc góc ω và gia tốc góc α. Giá trị của θ được đo bằng radian (rad), ω - tính bằng rad / s, α - tính bằng rad / s2.
Ví dụ về chuyển động quay là chuyển động của hành tinh chúng ta xung quanh ngôi sao của nó,quay rôto động cơ, chuyển động của bánh xe Ferris và những thứ khác.
Khái niệm về mô-men xoắn
Mômen của lực là một đại lượng vật lý bằng tích vectơ của vectơ bán kính r¯, hướng từ trục quay đến điểm tác dụng của lực F¯ và vectơ của lực này. Về mặt toán học, điều này được viết như sau:
M¯=[r¯F¯].
Như bạn thấy, mômen của lực là một đại lượng vectơ. Hướng của nó được xác định bởi quy tắc của một gimlet hoặc bàn tay phải. Giá trị của M¯ là hướng vuông góc với mặt phẳng quay.
Trong thực tế, việc tính giá trị tuyệt đối của thời điểm M¯ thường trở nên cần thiết. Để thực hiện việc này, hãy sử dụng biểu thức sau:
M=rFsin (φ).
Trong đó φ là góc giữa các vectơ r¯ và F¯. Tích của môđun của vectơ bán kính r và sin của góc đánh dấu được gọi là vai của lực d. Sau đó là khoảng cách giữa vectơ F¯ và trục quay. Công thức trên có thể được viết lại thành:
M=dF, trong đó d=rsin (φ).
Mômen của lực được đo bằng niutơn trên mét (Nm). Tuy nhiên, bạn không nên sử dụng jun (1 Nm=1 J) vì M¯ không phải là một đại lượng vô hướng, mà là một vectơ.
Ý nghĩa vật lý của M¯
Ý nghĩa vật lý của mômen lực dễ hiểu nhất với các ví dụ sau:
- Chúng tôi đề xuất thực hiện thử nghiệm sau: cố gắng mở cửa,đẩy nó gần bản lề. Để thực hiện thành công thao tác này, bạn sẽ phải sử dụng rất nhiều lực. Đồng thời, tay nắm của bất kỳ cánh cửa nào cũng mở ra khá dễ dàng. Sự khác biệt giữa hai trường hợp được mô tả là chiều dài của cánh tay đòn của lực (trong trường hợp đầu tiên, nó rất nhỏ, vì vậy mô men tạo ra cũng sẽ nhỏ và cần một lực lớn).
- Một thí nghiệm khác cho thấy ý nghĩa của mô-men xoắn như sau: hãy lấy một chiếc ghế và cố gắng giữ nó bằng cánh tay dang ra trước với trọng lượng. Nó là khá khó khăn để làm điều này. Đồng thời, nếu bạn dùng tay ấn ghế vào người thì nhiệm vụ sẽ không còn quá sức nữa.
- Tất cả mọi người liên quan đến công nghệ đều biết rằng việc tháo một đai ốc bằng cờ lê dễ hơn nhiều so với làm bằng ngón tay của bạn.
Tất cả những ví dụ này cho thấy một điều: mômen của lực phản ánh khả năng quay của hệ thống quanh trục của nó. Mô-men xoắn càng lớn thì hệ thống quay vòng càng nhiều và tạo cho hệ thống một gia tốc góc.
Mô men xoắn và sự cân bằng của cơ thể
Statics - một phần nghiên cứu nguyên nhân của trạng thái cân bằng của các cơ thể. Nếu hệ thống đang xét có một hoặc nhiều trục quay, thì hệ thống này có khả năng thực hiện chuyển động tròn. Để ngăn điều này xảy ra và hệ thống ở trạng thái nghỉ, tổng của tất cả n mômen lực bên ngoài so với bất kỳ trục nào phải bằng 0, nghĩa là:
∑i=1Mi=0.
Khi sử dụng cái nàyđiều kiện cân bằng của các vật trong quá trình giải các bài toán thực tế, cần nhớ rằng bất kỳ lực nào có xu hướng làm quay hệ thống ngược chiều kim đồng hồ sẽ tạo ra một mômen dương và ngược lại.
Rõ ràng, nếu một lực tác dụng lên trục quay thì nó sẽ không tạo ra bất kỳ mômen nào (vai d bằng 0). Do đó, phản lực của giá đỡ không bao giờ tạo ra mômen lực nếu nó được tính liên quan đến hỗ trợ này.
Bài toán ví dụ
Sau khi tìm ra cách xác định mômen của lực, chúng ta sẽ giải một bài toán vật lý thú vị sau: giả sử rằng có một cái bàn trên hai gối tựa. Bàn dài 1,5 mét, nặng 30 kg. Người ta đặt một vật có khối lượng 5 kg cách mép bên phải của bàn một khoảng bằng 1/3. Cần phải tính toán phản lực nào sẽ tác dụng lên mỗi gối tựa của bàn có tải trọng.
Tính toán của vấn đề nên được thực hiện trong hai giai đoạn. Đầu tiên, hãy xem xét một bảng không có tải. Ba lực tác dụng lên nó: hai phản lực và trọng lượng cơ thể giống hệt nhau. Vì bàn là đối xứng nên phản lực của các giá đỡ bằng nhau và cùng cân bằng trọng lượng. Giá trị của mỗi phản ứng hỗ trợ là:
N0=P / 2=mg / 2=309, 81/2=147, 15 N.
Ngay sau khi tải trọng được đặt lên bàn, các giá trị phản ứng của các giá đỡ sẽ thay đổi. Để tính toán chúng, chúng tôi sử dụng cân bằng của các mômen. Đầu tiên, hãy xem xét mômen của các lực tác dụng so với gối tựa bên trái của bàn. Có hai trong số những mô men này: phản lực bổ sung của giá đỡ phù hợp mà không tính đến trọng lượng của bàn và trọng lượng của bản thân tải trọng. Vì hệ thống ở trạng thái cân bằng,được:
ΔN1 l - m1 g2/3l=0.
Ở đây l là chiều dài của bảng, m1là trọng lượng của tải. Từ biểu thức chúng ta nhận được:
ΔN1=m1 g2/3=2/39, 815=32, 7 N.
Theo cách tương tự, chúng tôi tính toán phản ứng bổ sung đối với hỗ trợ bên trái của bảng. Chúng tôi nhận được:
-ΔN2 l + m1 g1/3l=0;
ΔN2=m1 g1/3=1/359, 81=16, 35 N.
Để tính toán phản ứng của bảng hỗ trợ với tải, bạn cần các giá trị ΔN1và ΔN2thêm vào N0, chúng tôi nhận được:
hỗ trợ ngay: N1=N0+ ΔN1=147, 15 + 32, 7=179, 85 N;
hỗ trợ bên trái: N2=N0+ ΔN2=147, 15 + 16, 35=163, 50 N.
Như vậy, tải ở chân bên phải của bảng sẽ lớn hơn ở bên trái.
