Балансът прави точно това, което подсказва името: той балансира два елемента. Използвайки такъв, можете да определите масата на даден обект.
Нека да разгледаме как да си направим „направи си сам“ скала или баланс и да видим как работи физическият принцип зад него.
Как да направим модел за балансиране на лъча за училищни проекти
За да направите вашата домашна везна за баланс на масата, ще ви е необходимо следното:
- Здрава греда, която може да бъде избрана въз основа на това, което ще претегляте. Ако ще претегляте много тежки предмети, може да се наложи парче дървен материал, за да направите гигантска везна. По-вероятно ще искате да направите малък баланс, който може да се използва за претегляне на малки предмети като кламери или монети. За малък баланс бихте могли да използвате пръчка от ескимо като лъч.
- Точка на опора, която ще поддържа лъча в една точка в средата (или много близо до една точка). За малък мащаб от макарони, използването на клин от каучук, като тънка гума, може да работи.
- Малки обекти с известно тегло, които да действат като средство за измерване на масата на непознатия обект.
За да разберем предназначението на малките обекти с известно тегло, трябва да знаем как работи везната или везната.
Как работи балансът на лъча?
Физическият принцип зад баланса на лъча е въртящият момент. Сила, приложена към гредата на известно разстояние от опорната точка (която се нарича рамо на лоста), или точката, в която тя е балансирана, създава въртящ момент. Въртящият момент поражда въртеливо движение, ако въртящите моменти са небалансирани.
Този лъч използва този принцип за измерване на маса или тегло.
Формулата за въртящ момент, τ, е
\ tau = F \ пъти по r
къдетоFе силата, приложена от обекта, иrе лостовото рамо. Имайте предвид, че операцията е кръстосано произведение, което е векторна операция, а не умножение. Напречното произведение ще бъде ненулево само ако някакъв компонент на силата е перпендикулярен на рамото на лоста.
Ясно е, че за балансиране на лъча рамото на лоста може да бъде представено като вектор, който започва в опорната точка и сочи към края на гредата. Векторът на силата започва в точката, където се намира масата и е успореден на посоката на гравитацията.
За да проверите дали това уравнение има смисъл, помислете за отваряне на врата. За да отворите вратата, трябва да дръпнете перпендикулярно на вратата. Ако трябваше да се изправите срещу ръба на вратата и да натиснете или дръпнете, нямаше да отворите вратата. Уравнението за въртящия момент описва точно тези физични явления.
За двуизмерни задачи формулата става
\ tau = Fr \ sin {\ theta}
в този случай е извършено кръстосаното произведение, а синусът на ъгъла между посоките на силата и рамото на лоста е θ. Тъй като ъгълът между силата и рамото на лоста се приближава до 0, въртящият момент също отива до 0, което има смисъл.
Назад към DIY скалата или баланса
За да се използва везна за определяне на масата на даден обект, обектът с неизвестна маса трябва да се постави в единия край на везната. Това ще предизвика въртящ момент и балансът ще се върти около опорната точка и ще почива на земята, докато въртящият момент бъде балансиран. И така, как можем да балансираме въртящия момент?
Тук са необходими обектите с известна маса.
Можем бавно да добавяме обектите с известна маса към противоположния край и да започнем да определяме подходящата сила. Когато гредата е балансирана и двата й края са на еднаква височина от земята, силите на двата края на гредата са балансирани.
Когато това се случи, можете да съберете общата маса, необходима за балансиране на лъча, която определя масата на неизвестния обект.
Не забравяйте, че рамената на лоста от двете страни на гредата трябва да бъдат точно равни. В противен случай силите, необходими за балансиране на въртящия момент, няма да бъдат точно равни и ще е необходимо допълнително изчисление за определяне на неизвестната маса.