Chuyển động quay quanh một trục hoặc một điểm của các vật thể khác nhau là một trong những dạng chuyển động quan trọng trong công nghệ và trong tự nhiên, được nghiên cứu trong quá trình vật lý học. Động lực học của chuyển động quay, trái ngược với động lực học của chuyển động thẳng, vận hành với khái niệm về thời điểm của một hoặc một đại lượng vật lý khác. Bài viết này dành cho câu hỏi về thời điểm của các lực là gì.
Khái niệm về mômen lực
Mỗi người đi xe đạp đều ít nhất một lần trong đời quay bánh xe "ngựa sắt" của mình bằng tay. Nếu hành động được mô tả được thực hiện bằng cách dùng tay giữ lốp, thì việc quay bánh xe sẽ dễ dàng hơn nhiều so với việc giữ các nan hoa gần trục quay hơn. Hành động đơn giản này được mô tả trong vật lý là một mômen lực hoặc mômen xoắn.
Mômen lực là gì? Bạn có thể trả lời câu hỏi này nếu bạn tưởng tượng một hệ có thể quay quanh trục O. Nếu tại một thời điểm P tác dụng một vectơ lực F¯ lên hệ thì mômen của lực F¯ sẽ bằng:
M¯=[OP¯F¯].
Tức là mômen M¯ là một đại lượng vectơ bằng tích của vectơ lực F¯ và vectơ bán kính OP¯.
Công thức đã viết cho phép chúng ta lưu ý một điều quan trọng: nếu một lực bên ngoài F¯ được tác dụng ở bất kỳ góc nào lên bất kỳ điểm nào của trục quay, thì nó không tạo ra một mômen.
Giá trị tuyệt đối của mômen lực
Trong đoạn trước, chúng ta đã xem xét định nghĩa mômen lực đối với trục là gì. Bây giờ chúng ta hãy nhìn vào hình ảnh bên dưới.
Đây là một thanh có chiều dài L. Một mặt, nó được cố định thông qua một khớp bản lề trên một bức tường thẳng đứng. Đầu kia của thanh được để tự do. Lực F¯ tác dụng lên đầu này. Góc giữa thanh và vectơ lực cũng được biết đến. Nó bằng φ.
Mômen xoắn được xác định thông qua tích vectơ. Môđun của một tích như vậy bằng tích các giá trị tuyệt đối của các vectơ và sin của góc giữa chúng. Áp dụng các công thức lượng giác, chúng ta đi đến đẳng thức sau:
M=LFsin (φ).
Tham chiếu lại hình trên, chúng ta có thể viết lại đẳng thức này ở dạng sau:
M=dF, trong đó d=Lsin (φ).
Giá trị d, bằng khoảng cách từ vectơ lực đến trục quay, được gọi là đòn bẩy của lực. Giá trị của d càng lớn thì mômen tạo bởi lực F.
càng lớn
Hướng của mômen lực và dấu hiệu của nó
Nghiên cứu câu hỏi về cái gì làMômen của lực không thể là hoàn toàn trừ khi xét bản chất vectơ của nó. Nhắc lại các tính chất của tích chéo, chúng ta có thể tự tin nói rằng mômen của lực sẽ vuông góc với mặt phẳng được xây dựng trên vectơ cấp số nhân.
Hướng cụ thể của M¯ được xác định duy nhất bằng cách áp dụng cái gọi là quy tắc gimlet. Nghe có vẻ đơn giản: bằng cách xoay gimlet theo hướng chuyển động tròn của hệ thống, hướng của mômen lực được xác định bởi chuyển động tịnh tiến của gimlet.
Nếu bạn nhìn vào một hệ quay dọc theo trục của nó, thì vectơ mômen lực tác dụng lên một điểm có thể hướng cả về phía độc giả và hướng ra xa anh ta. Về vấn đề này, trong các phép tính định lượng, khái niệm mômen tích cực hoặc tiêu cực được sử dụng. Trong vật lý, người ta thường coi mômen dương của lực dẫn đến chuyển động quay của hệ ngược chiều kim đồng hồ.
Ý nghĩa của M¯ là gì?
Mang ý nghĩa vật chất. Thật vậy, trong cơ học của chuyển động thẳng, người ta biết rằng lực là đại lượng đo khả năng truyền gia tốc thẳng cho một vật. Tương tự, mômen lực của một điểm là thước đo khả năng truyền gia tốc góc của hệ. Mômen của lực là nguyên nhân của gia tốc góc và tỷ lệ thuận với nó.
Các khả năng xoay hoặc quay khác nhau rất dễ hiểu nếu bạn nhớ rằng cửa mở ra dễ dàng hơn nếu nó được đẩy ra khỏi bản lề cửa, nghĩa là trong khu vực của tay cầm. Một ví dụ khác: bất kỳ vật nặng nào nhiều hơn hoặc ít hơn đều dễ cầm hơn nếu bạn ấn tay vào cơ thể hơn là cầm ngang tay. Cuối cùng, việc tháo đai ốc sẽ dễ dàng hơn nếu bạn sử dụng cờ lê dài. Trong các ví dụ trên, mômen của lực được thay đổi bằng cách giảm hoặc tăng đòn bẩy của lực.
Ở đây có thể đưa ra một phép loại suy về bản chất triết học, lấy ví dụ như cuốn sách của Eckhart Tolle "Sức mạnh của bây giờ". Cuốn sách thuộc thể loại tâm lý, dạy bạn cách sống không căng thẳng vào thời điểm hiện tại. Chỉ khoảnh khắc hiện tại mới có ý nghĩa, chỉ trong thời gian đó mọi hành động được thực hiện. Xem xét ý tưởng được đặt tên của cuốn sách "Lực lượng của khoảnh khắc bây giờ", có thể nói rằng mô-men xoắn trong vật lý làm tăng tốc hoặc làm chậm chuyển động quay tại thời điểm hiện tại. Do đó, phương trình mômen chính có dạng sau:
dL=Mdt.
Trong đó dL là sự thay đổi momen động lượng trong một khoảng thời gian vô cùng nhỏ dt.
Tầm quan trọng của khái niệm mômen lực đối với tĩnh
Nhiều người quen thuộc với các nhiệm vụ liên quan đến đòn bẩy các loại. Trong hầu hết tất cả các bài toán này về tĩnh, yêu cầu phải tìm các điều kiện để cân bằng của hệ. Cách dễ nhất để tìm các điều kiện này là sử dụng khái niệm mômen lực.
Nếu hệ không chuyển động và ở trạng thái cân bằng, thì tổng tất cả các mômen lực tác động lên trục, điểm hoặc giá đỡ đã chọn phải bằng 0, nghĩa là:
∑i=1Mi¯=0.
Trong đó n là số lực tác dụng.
Nhớ lại rằng giá trị tuyệt đối của các thời điểm Miphải được thay thế vào phương trình trên bằngxem xét dấu hiệu của họ. Phản lực của gối tựa coi như trục quay không tạo ra mômen quay. Dưới đây là video giải thích chủ đề của đoạn này của bài viết.
Khoảnh khắc của lực và công việc của nó
Nhiều độc giả nhận thấy rằng mômen của lực được tính bằng niutơn trên mét. Điều này có nghĩa là nó có cùng chiều với công hoặc năng lượng trong vật lý. Tuy nhiên, khái niệm mômen lực là một đại lượng vectơ, không phải là một đại lượng vô hướng nên không thể coi mômen M¯ là công. Tuy nhiên, anh ta có thể thực hiện công việc, được tính theo công thức sau:
A=Mθ.
Trong đó θ là góc trung tâm tính bằng radian mà hệ đã quay được trong một thời gian đã biết trước t.
