Una balanza hace precisamente lo que sugiere su nombre: equilibra dos elementos. Al usar uno, puede determinar la masa de un objeto.
Veamos cómo hacer una balanza o balanza de bricolaje (bricolaje) y veamos cómo funciona el principio de física detrás de esto.
Cómo hacer un modelo de equilibrio de vigas para proyectos escolares
Necesitará lo siguiente para hacer su balanza de masa casera:
- Una viga resistente, que se puede elegir en función de lo que pesará. Si pesará objetos muy pesados, es posible que necesite un trozo de madera para hacer una balanza gigante. Lo más probable es que desee hacer una pequeña balanza que pueda usarse para pesar objetos pequeños como clips o monedas. Para un pequeño equilibrio, puede usar un palito de helado como viga.
- Un fulcro, que apoyará la viga en un solo punto en el medio (o muy cerca de un solo punto). Para una escala de paleta pequeña, usar una cuña de goma, como una goma de borrar fina, podría funcionar.
- Pequeños objetos de peso conocido que actúan como medio para medir la masa del objeto desconocido.
Para comprender el propósito de los objetos pequeños de peso conocido, necesitamos saber cómo funciona una balanza o báscula.
¿Cómo funciona una balanza de vigas?
El principio físico detrás de una balanza de vigas es el torque. Una fuerza aplicada a la viga a cierta distancia del fulcro (que se llama brazo de palanca), o el punto donde está equilibrada, produce un par de torsión. El par da lugar a un movimiento de rotación si los pares están desequilibrados.
Una balanza de haz utiliza este principio para medir masa o peso.
La fórmula para el par, τ, es
\ tau = F \ veces r
dóndeFes la fuerza aplicada por el objeto, yres el brazo de palanca. Tenga en cuenta que la operación es un producto cruzado, que es una operación vectorial y no una multiplicación. El producto cruzado solo será distinto de cero si algún componente de la fuerza es perpendicular al brazo de palanca.
Está claro que para un equilibrio de la viga, el brazo de palanca se puede representar como un vector que comienza en el fulcro y apunta hacia el final de la viga. El vector de fuerza comienza en el punto donde se ubica la masa y es paralelo a la dirección de la gravedad.
Para comprobar si esta ecuación tiene sentido, piense en abrir una puerta. Para abrir la puerta hay que tirar perpendicularmente a la puerta. Si tuviera que mirar hacia el borde de la puerta y empujar o tirar, no abriría la puerta. La ecuación para el torque describe precisamente ese fenómeno físico.
Para problemas bidimensionales, la fórmula se convierte en
\ tau = Fr \ sin {\ theta}
en cuyo caso se ha realizado el producto cruzado, y el seno del ángulo entre las direcciones de la fuerza y el brazo de palanca es θ. A medida que el ángulo entre la fuerza y el brazo de palanca se acerca a 0, el par también llega a 0, lo cual tiene sentido.
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Para usar una balanza para determinar la masa de un objeto, el objeto de masa desconocida debe colocarse en un extremo de la balanza. Esto inducirá una torsión y la balanza girará alrededor del fulcro y descansará en el suelo hasta que la torsión esté equilibrada. Entonces, ¿cómo podemos equilibrar el par?
Aquí es donde se necesitan los objetos de masa conocida.
Podemos agregar lentamente los objetos de masa conocida al extremo opuesto y comenzar a determinar la fuerza apropiada. Cuando la viga está equilibrada y ambos extremos están a la misma altura del suelo, las fuerzas en ambos extremos de la viga están equilibradas.
Cuando esto sucede, puede sumar la masa total necesaria para equilibrar la viga, lo que determina la masa del objeto desconocido.
Recuerde, los brazos de palanca a ambos lados de la viga deben ser exactamente iguales. De lo contrario, las fuerzas necesarias para equilibrar el par no serán exactamente iguales y se requeriría un cálculo adicional para determinar la masa desconocida.