в чем измеряется момент силы в чем измеряется

Статика. Момент силы.

Момент силы вычисляют при помощи формулы:

Плечо силы – это самое короткое расстояние от линии действия силы до оси вращения тела. На рисунке ниже изображено твердое тело, которое может вращаться вокруг оси. Ось вращения этого тела является перпендикулярной к плоскости рисунка и проходит через точку, которая обозначена как буква О. Пле­чом силы F_t здесь оказывается расстояние l, от оси вращения до линии действия силы. Определяют его таким образом. Первым шагом проводят линию действия силы, далее из т. О, через которую проходит ось вращения тела, опускают на линию действия силы перпендикуляр. Длина этого перпендикуляра оказывается плечом данной силы.

Момент силы характеризует вращающее действие силы. Это действие зависит как от силы, так и от плеча. Чем больше плечо, тем меньшую силу необходимо приложить, чтобы получить желаемый результат, то есть один и тот же момент силы (см. рис. выше). Именно поэтому открыть дверь, толкая ее возле петель, намного сложнее, чем берясь за ручку, а гайку отвернуть намного легче длинным, чем коротким гаечным ключом.

За единицу момента силы в СИ принимается момент силы в 1 Н, плечо которой равно 1м — ньютон-метр (Н · м).

Правило моментов.

Твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси, находится в равновесии, если момент силы М₁ вращающей его по часовой стрелке, равняется моменту силы М₂, которая вращает его против часовой стрелки:

Момент силы принято считать положительным, если тело вращается по часовой стрелке, и от­рицательным, если — против.

Правило моментов есть следствие одной из теорем механики, которая была сформулирована французским ученым П. Вариньоном в 1687 г.

Пара сил.

Если на тело действуют 2 равные и противоположно направленные силы, которые не лежат на одной прямой, то такое тело не находится в равновесии, так как результирующий момент этих сил относительно любой оси не равняется нулю, так как обе силы имеют моменты, направленные в одну сторону. Две такие силы, одновременно действующие на тело, называют парой сил. Если тело закреплено на оси, то под действием пары сил оно будет вращаться. Если пара сил приложена «свободному телу, то оно будет вращаться вокруг оси. проходящей через центр тяжести тела, рисунке б.

Момент пары сил одинаков относительно любой оси, перпендикулярной к плоскости пары. Суммарный момент М пары всегда равен произведению одной из сил F на расстояние l между силами, которое называется плечом пары, независимо от того, на какие отрезки l, и разделяет положение оси плечо пары:

.

Момент нескольких сил, равнодействующая которых равна нулю, будет одинаковым относи­тельно всех осей, параллельных друг другу, поэтому действие всех этих сил на тело можно заме нить действием одной пары сил с тем же моментом.

Источник

Момент силы

Сила: что это за величина

В повседневной жизни мы часто встречаем, как любое тело деформируется (меняет форму или размер), ускоряется или тормозит, падает. В общем, чего только с разными телами в реальной жизни не происходит. Причиной любого действия или взаимодействия является сила.

Она измеряется в Ньютонах — это единица измерения названа в честь Исаака Ньютона.

Сила — величина векторная. Это значит, что, помимо модуля, у нее есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В данном случае результат выражается в направлении движения.

Плечо силы

Для начала давайте разберемся, что такое плечо силы — оно нам сегодня очень пригодится.

Представьте человека. Совершенно обычного. Если он совершенно обычный, у него точно будут плечи — без них получится уже какой-то инопланетянин. Если мы прочертим прямую вдоль линии плеча, а потом еще одну — вдоль линии руки — мы получим две пересекающиеся прямые. Угол между такими прямыми будет равен 90 градусов, а значит эти линии перпендикулярны.

Как анатомическое плечо перпендикулярно руке, так и в физике плечо перпендикулярно, только уже линии действия силы.

То есть перпендикуляр, проведенный от точки опоры до линии действия силы —это плечо силы.

Рычаг

В каждом дворе есть качели, для которых нужны два качающихся (если в вашем дворе таких нет, посмотрите в соседнем). Большая доска ставится посередине на точку опоры. По сути своей, качели — это рычаг.

Рычаг — простейший механизм, представляющий собой балку, вращающуюся вокруг точки опоры.

Хорошо, теперь давайте найдем плечо этой конструкции. Возьмем правую часть качелей. На качели действует сила тяжести правого качающегося, проведем перпендикуляр от линии действия силы до точки опоры. Получилась, что плечо совпадает с рычагом, разве что рычаг — это вся конструкция, а плечо — половина.

Давайте попробуем опустить качели справа, тогда что получим: рычаг остался тем же самым по длине, но вот сместился на некоторый угол, а вот плечо осталось на том же месте. Если направление действия силы не меняется, как и точка опоры, то перпендикуляр между ними невозможно изменить.

Момент силы

При решении задач на различные силы нам обычно хватало просто сил. Сила действует всегда линейно (ну в худшем случае под углом), поэтому очень удобно пользоваться законами Ньютона, приравнивать разные силы. Это работало с материальными точками, но не будет так просто применяться к телам, у которых есть форма и размер.

Вот мы приложили силу к краю палки, но при этом не можем сказать, что на другом ее конце будут то же самое ускорение и та же самая сила. Для этого мы вводим такое понятие, как момент силы.

Момент силы — это векторное произведение силы на плечо. Для определения физического смысла можно сказать, что момент — это вращательное действие.

Момент силы

M = Fl

M — момент силы [Н*м]
F — сила [Н]
l — плечо [м]

Вернемся к примеру с дверями. Вот мы приложили силу к краю двери — туда, где самый длинный рычаг. Получаем некоторое значение момента силы.

Теперь ту же силу приложим ближе к креплению двери, там, где плечо намного короче. По формуле получим момент меньшей величины.

На себе мы это ощущаем таким образом: нам легче толкать дверь там, где момент больше. То есть, чем больше момент, тем легче идет вращение.

То же самое можно сказать про гаечный ключ. Чтобы закрутить гайку, нужно взяться за ручку дальше гайки.

В этом случае, прикладывая ту же силу, мы получаем большую величину момента за счет увеличения плеча.

Расчет момента силы

Сейчас рассмотрим несколько вариантов того, как момент может рассчитываться. По идее просто нужно умножить силу на плечо, но поскольку мы имеем дело с векторами, все не так просто.

Если сила расположена перпендикулярно оси стержня, мы просто умножаем модуль силы на плечо.

Расстояние между точками A и B — 3 метра.

Момент силы относительно точки A:

Если сила расположена под углом к оси стержня, умножаем проекцию силы на плечо.

Обратите внимание, что такие задания могут встретиться только у учеников не раньше 9 класса!

Момент силы относительно точки B:

Если известно расстояние от точки до линии действия силы, момент рассчитывается как произведение силы на это расстояние (плечо).

Момент силы относительно точки B:

Правило моментов

Вернемся к нашим баранам качелям. Мы умудряемся на них качаться, потому что существует вращательное действие — момент. Силы, с которыми мы действуем на разные стороны этих качелей могут быть разными, но вот моменты должны быть одинаковыми.

Правило моментов говорит о том, что если рычаг не вращается, то сумма моментов сил, поворачивающих рычаг против часовой стрелки, равна сумме моментов сил, поворачивающих рычаг по часовой стрелке.

Это условие выполняется относительно любой точки.

Правило моментов

M1 + M2 +. + Mn = M’1 + M’2 +. + M’n

M1 + M2 +. + Mn — сумма моментов сил, поворачивающих рычаг по часовой стрелке [Н*м]

Давайте рассмотрим этот закон на примере задач.

Задача 1

К левому концу невесомого стержня прикреплен груз массой 3 кг.

Стержень расположили на опоре, отстоящей от его левого конца на 0,2 длины стержня. Чему равна масса груза, который надо подвесить к правому концу стержня, чтобы он находился в равновесии?

Решение:

Одним из условий равновесия стержня является то, что полный момент всех внешних сил относительно любой точки равен нулю. Рассмотрим моменты сил относительно точки опоры. Момент, создаваемый левым грузом равен mgL5 он вращает стержень против часовой стрелки. Момент, создаваемый правым грузом:Mg4L5 — он вращает по часовой.

Приравнивая моменты, получаем, что для равновесия к правому концу стержня необходимо подвесить груз массой
M = m : 4 = 3 : 4 = 0,75 кг

Ответ: для равновесия к правому концу стержня необходимо подвесить груз массой 0,75 кг

Задача 2

Путешественник несёт мешок с вещами на лёгкой палке. Чтобы удержать в равновесии груз весом 80 Н, он прикладывает к концу B палки вертикальную силу 30 Н. OB = 80 см. Чему равно OA?

Решение:

По правилу рычага: FB/FA=|OA|/|OB| где FA и FB — силы, приложенные соответственно к точкам A и B. Выразим длину OA:

Ответ: расстояние ОА равно 30 см

Задача 3

Тело массой 0,2 кг подвешено к правому плечу невесомого рычага (см. рисунок). Груз какой массы надо подвесить ко второму делению левого плеча рычага для достижения равновесия?

Решение:

По правилу рычага m1g*l1=m2g*l2

Отсюда m2=l1/l2*m1=3/2*0,2 = 0,3 кг

Ответ: Масса груза равна 0,3 кг

Задача 4

На железной дороге для натяжения проводов используется показанная на рисунке система, состоящая из легких блоков и тросов, натягиваемых тяжелым грузом. Чему равна сила натяжения провода?

Решение:

Система на рисунке состоит из трех блоков: двух подвижных и одного неподвижного. Назначение неподвижного блока заключается только в том, что он меняет направление действия силы, однако никакого выигрыша в силе при этом не возникает. Каждый подвижный блок, напротив, дает выигрыш в силе.

Определим силу, с которой натянута первая нить. Груз растягивает ее с силой:
T = mg = 10*10 = 100 Н

Рассмотрим теперь первый подвижный блок. Так как вся система статична, полная сила, действующая на этот блок, должна быть равна нулю. Первая нить тянет его направо с суммарной силой 2T, значит, натяжение второй нити тоже должно быть равно 2T (вот он — выигрыш в силе). Аналогичное рассмотрение для второго подвижного блока показывает, что натяжение провода должно быть равно

Ответ: натяжение провода равно 400 Н

Задача 5 — a.k.a самая сложная задачка

Под действием силы тяжести mg груза и силы F рычаг, представленный на рисунке, находится в равновесии. Вектор силы F перпендикулярен рычагу, груз на плоскость не давит. Расстояния между точками приложения сил и точкой опоры, а также проекции этих расстояний на вертикальную и горизонтальную оси указаны на рисунке.

Если модуль силы F равен 120 Н, то каков модуль силы тяжести, действующей на груз?

Решение:

Одним из условий равновесия рычага является то, что полный момент всех внешних сил относительно любой точки равен нулю. Рассмотрим моменты сил относительно опоры рычага. Момент, создаваемый силой F, равен F*5 м и он вращает рычаг по часовой стрелке. Момент, создаваемый грузом относительно этой точки — mg*0,8 м, он вращает против часовой. Приравнивая моменты, получаем выражение для модуля силы тяжести

Ответ: модуль силы тяжести, действующей на груз равен 750 Н

Источник

Момент силы

Что такое момент силы

Моментом силы считается векторная величина в физической науке, которая равняется векторному произведению радиус-вектора, приведенного от оси вращения к точке приложения силы и ее направления.

Категория характеризует воздействие силы по отношению к твердому телу.

Случается, что велосипедисту приходится раскручивать колесо транспорта рукой. Рука берется за покрышку, т.к. таким способом колесо приводится в действие намного быстрее, чем при хватании велосипеда за спицы, поскольку они расположены ближе к точке оси вращения. Приводимое действие и будет считаться моментом силы, т.е. вращающимся.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Вращающийся и крутящийся моменты не являются идентичными понятиями, поскольку «вращающийся» момент означает внешнее усилие, приложенное к объекту, в то время как «крутящийся» выражается во внутреннем усилии, возникающем в объекте под воздействием нагрузок.

Физическая наука трактует момент силы как вращение.

Единица измерения — ньютон-метр. В теории данную категорию также называют моментом пары сил — этот термин восходит к трудам Архимеда над рычагами. Так, если усилие прикладывается к рычагу перпендикулярно, то момент силы выступает как умножение величины приложенного усилия на расстояние до оси вращения рычага.

В механике линейного движения сила выступает мерой возможности для придания линейного ускорения телу. Аналогично, момент силы точки является мерой возможности сообщения углового ускорения системы. Он также выступает причиной возникновения углового ускорения — две этих категории прямо пропорциональны друг другу.

Так, если мы толкнем дверь дальше от дверных петель, т.е. там, где находится ручка, она откроется легче и быстрее. Отсюда видна разная возможность совершения вращения/поворота. Другой пример. Тяжелый предмет легче удерживается, если прижимать к нему руку вплотную, а не держать ее вытянутой. Таким образом, в указанных случаях момент силы меняется при уменьшении/увеличении рычага воздействия.

Формула моментов выглядит так:

М — момент силы (также обозначается как т), а dL — изменение момента импульса за бесконечно малый промежуток времени dt.

Абсолютная величина момента силы

Абсолютной величиной момента силы признается величина, равная произведению абсолютного значения на плечо данной силы относительно выбранной точки.

Рассмотрим рисунок, приведенный ниже.

Здесь продемонстрирован стержень с длиной L. Так, с одной стороны он закрепляется шарнирным соединением к вертикальной плоскости, другой его конец — свободен. На него воздействует F¯. Угол между стержнем и вектором равняется φ. Вращающийся момент следует определить через векторное произведение. Его модуль равняется произведению: абсолютные значения, умноженные на синус угла между ними.

Используя формулы из тригонометрии, прибегаем к следующему равенству:

Возвращаясь к рисунку, переписываем равенство в форму:

Здесь \(d = L*sin(φ)\) — это величина, равная расстоянию от вектора силы оси вращения. F образует больший момент при большем d.

Работа момента силы

Величина момента силы рассчитывается в ньютонах на метр, т.е. она имеет ту же размерность, как работа и энергия в физической науке. Однако следует учитывать, что рассматриваемая концепция является векторной величиной, посему данную величину нельзя считать работой. Момент силы выполняет работу, исходя из формулы:

Величина θ выступает центральным углом в радианах, на который система повернулась за определенное время t.

Мощность и момент силы

Мощность в момент силы можно вычислить по формуле:

где P — это мощность, выраженная в ваттах или килоВаттах, m — крутящий момент в Ньютон-метрах, а ω — угловая скорость в радианах в секунду.

Отсюда формула расчета момента силы выглядит так:

Рассмотрим зависимость силы F, момента силы M, импульса p и моментом импульса L.

Это актуально для системы, ограниченной одной плоскостью, т.к. силы и моменты, связанные с трением и тяжестью, здесь не учтены.

Направление момента силы и его знак

Момент силы рассчитывают относительно точки, где он представляет собой вектор, или относительно оси, где есть лишь проекция вектора на ось.

Итак, берем точку Q — полюс, относительно которой рассчитывается момент силы. Далее следует провести радиус-вектор r из Q к F — точке приложения. Далее категория рассчитывается так:

В результате получается вектор, длина которого определяется модулем:

\(\vert M\vert=\vert r\vert\ast\vert F\vert\ast\sin\varphi\)

Здесь φ является углом между векторами r и F.

Вектор М направлен так, что векторы r, F, M — правые. Это можно определить следующим образом. Ваше территориальное нахождение — на конце 3-го вектора, а на другие два направлен взгляд. Если самый короткий переход от вектора 1 к вектору 2 происходит против часовой стрелки, то они являются тройкой правых векторов. Если наоборот, т.е. по часовой стрелке, то они считаются левыми.

Затем следует совместить начала r и F путем параллельного переноса вектора F в Q. Через точку Q нужно провести ось перпендикулярно r и F. Возможны 2 направления — вниз или вверх.

Далее изобразите стрелку вектора на оси вверх. Оттуда посмотрите на направления r и F. Переход от одного вектора к другому также обозначьте стрелкой. Если стрелка указывает направление против часовой стрелки, то тройка векторов — правая. Это означает, что выбранное направление верно. В противном случае его необходимо сменить на противоположное.

Правило правой руки определяет направление момента силы. Указательный палец совмещается с радиус-вектором, а средний — с вектором силы. От конца большого пальца, направленного вверх, обратите внимание на оба вектора: при переходе от указательного к среднему происходит против часовой стрелки направление момента силы аналогично направлению, показанному большим пальцем; переход против часовой говорит о противоположном направлении.

Что касается знака, то момент силы относительно любой точки имеет знак:

Для определения направления вектора можно применить правило буравчика. Четыре пальца правой руки должны мысленно вращать винт от r к F. Вектор будет направлен туда, куда закручен буравчик при производимом вращении.

Источник

Момент силы (примеры формула)

Момент силы это векторная величина, понятие момента силы используется, в основном, в области задач статики и задач, связанных с вращением деталей (рычагов и др.) в технической механике.

Что такое вращательное движение тела Момент силы Момент инерции

Движение, при котором все точки тела описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях, с центрами, расположенными на одной неподвижной прямой, называется вращательным движением тела.

Прямая О’О» (рис. 2, а) называется осью вращения. Угловая скорость для всех точек вращающегося тела одинакова, линейные скорости различны: чем дальше расположена точка от центра вращения, тем больше ее линейная скорость.

Для того чтобы вызвать вращение тела, к нему надо приложить силу F, которая:

Это учитывается с помощью величины, называемой вращающим моментом или просто моментом силы.

Момент силы

Движение тела называется вращательным, если все его точки движутся по окружностям, центры которых расположены на одной прямой, называемой осью вращения.

Колеса всевозможных машин и механизмов могут вращаться вокруг неподвижной оси; пропеллер самолета, колодезный «журавль», дверь на петлях, откидная крышка школьной парты представляют собой примеры того же случая.

Если вначале тело покоится, то, чтобы вызвать вращение, необходимо подействовать на тело с некоторой силой. Однако не всякая приложенная сила вызовет вращение тела.

Силы, одинаковые по величине, но различные по направлению или приложенные в разных точках, могут вызвать весьма различные эффекты.

Оказывается, сила момента сейчас, действующая на тело, закрепленное на оси, только тогда может вызвать его вращение, когда направление силы не проходит через ось.

Сила, направленная параллельно оси вращения, также не вызывает вращение тела, а только стремится изогнуть ось.

От чего зависит действие силы

Вращающее действие силы зависит не только от ее величины, но и от расстояния между осью вращения и прямой, по которой действует сила.

Кратчайшее расстояние от оси вращения до прямой, по которой действует сила, называется плечом силы.

На рис. плечо силы обозначено буквой l. Величина, характеризующая вращающее действие силы, называется моментом силы и обозначается буквой М. Момент силы измеряется произведением силы на плечо (момент силы формула):

Момент силы — векторная величина. Направление вектора М определяется поступательным движением буравчика, расположенного вдоль оси вращения, если направление вращения его головки совпадает с направлением действующей силы.

В СИ за единицу момента силы принимается момент силы в один ньютон, имеющий плечо в один метр

Чтобы отличить моменты сил, создающих вращение в противоположные стороны, условились считать моменты сил, вращающих тело против часовой стрелки, положительными, а моменты сил, вращающих тело по часовой стрелке,— отрицательными.

Момент силы, направленной вдоль прямой, проходящей через ось вращения, равен нулю (так как l = 0).

Чтобы получить нужный момент при наименьшем усилии, надо стараться приложить силу как можно дальше от оси вращения, увеличивая тем самым плечо силы и соответственно уменьшая величину силы.

Не случайно дверная ручка закреплена на наибольшем расстоянии от оси вращения

Момент силы относительно центра вращения

Момент силы М относительно центра вращения в общем случае называют векторную величину, численно равную произведению силы F на длину d перпендикуляра, опущенного из центра вращения на направ ление силы, который называют плечом силы (рис. 2, б) (в нашем случае плечом силы F является радиус r, проведенный из центра вращения О к точке приложения силы — рис. 2, а).

Вектор М момента силы приложен к центру О окружности и направлен вдоль оси вращения в направлении, определяемом по «правилу буравчика».

Если под действием момента силы тело по отношению к наблюдателю вращается по часовой стрелке (рис. 2, а), то момент считается положительным, в противном случае — отрицательным.

Если на теле действует несколько моментов сил, то они складываются алгебраически (т. е. с учетом знака момента).

Для того чтобы тело, имеющее ось вращения, находилось в равновесии, алгебраическая сумма моментов, действующих на него, должна равняться нулю.

Инерция вращающегося тела

Аналогично тому как действие силы при вращательном движении за висит от плеча силы, так и инерция вращающегося тела зависит от располо жения его массы относительно оси вращения.

Чем дальше от оси вращения расположена масса тела, тем больше ее инерция. Это можно продемонстри ровать с помощью прибора, показанного на рис. 3. На стойке П укреплен блок Б с четырьмя стержнями, по которым могут передвигаться грузы М.

На блок намотана нить, на конце которой подвешена гиря Г. Натяжение нити создает на оси блока вращающий момент, постоянный по величине, под действием которого блок со стержнями приводится во вращение.

Ускорение блока можно определить путем наблюдения времени, в течение которого гиря Г опускается на определенное расстояние, отмечаемое по шкале Ш. Это ускорение зависит от инерции блока.

Если грузы М расположены близко от оси вращения, блок имеет небольшую инерцию и гиря опускается очень быстро. Если передвинуть грузы к краям стержней в положение М’, то инерция блока увеличится и гиря будет опускаться заметно медленнее.

Как увеличить инерцию

Для того чтобы учитывать инерцию при вращательном движении тела, пользуются величиной, называемой моментом инерции.

Момент инерции j для тела достаточно малой массы m относительно оси, находящейся на расстоянии r от центра масс тела (рис. 4), численно равняется произведению этой массы на квадрат расстояния:

Напомним, что центром масс (или центром тяжести) тела называют точку, в которой может быть приложена равнодействующая силы тяжести всех отдельных частей тела.

Для тел сплошных, однородных, правильной геометрической формы центр масс совпадает с геометрическим центром.

Центр масс тела человека находится в сагиттальной плоскости несколько впереди второго крестцового позвонка.

Вычисление момента инерции

Для вычисления момента инерции какого-либо тела его разделяют на множество достаточно малых по массе элементов, для каждого из них вычисляют момент инерции j относительно заданной оси вращения и затем последние суммируют.

Для однородного шара с массой т и радиусом r момент инерции относительно оси, проходящей через центр шара:

Для тел неоднородных или сложной геометрической формы момент инерции обычно определяется опытным путем.

Если вращательное движение тела происходит равноускоренно, то оно характеризуется угловым и линейным ускорениями.

Угловое ускорение ε измеряется отношением изменения ∆ω угловой скорости за достаточно малый промежуток времени ∆t к этому промежутку:

Единицы измерения

Линейное ускорение а какой-либо точки тела равняется произведению углового ускорения ε на расстояние r точки от оси вращения:

Эта зависимость выражает второй закон Ньютона применительно к вращательному движению и называется основным уравнением вращательного движения.

Определим кинетическую энергию Е_к тела достаточно малой массы m, вращающегося равномерно с угловой скоростью ω вокруг неподвижной оси, находящейся на расстоянии г от центра масс тела. По общему правилу:

Для вычисления кинетической энергии Е_к вращающегося тела с массой М его надо разделить на множество достаточно малых по массе элементов, вычислить для каждого из них кинетическую энергию Е_к и затем суммировать:

Кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равняется половине произведения момента инерции тела на квадрат его угловой скорости.

Статья на тему Момент силы

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник