Une balance fait précisément ce que son nom l'indique: elle équilibre deux éléments. En utilisant un, vous pouvez déterminer la masse d'un objet.
Voyons comment créer une balance ou une balance à faire soi-même (DIY), et voyons comment fonctionne le principe physique qui la sous-tend.
Comment faire un modèle d'équilibre de faisceau pour les projets scolaires
Vous aurez besoin des éléments suivants pour réaliser votre balance de masse maison :
- Une poutre robuste, qui peut être choisie en fonction de ce que vous allez peser. Si vous pesez des objets très lourds, vous aurez peut-être besoin d'un morceau de bois pour fabriquer une balance géante. Plus probablement, vous voudrez faire une petite balance qui peut être utilisée pour peser de petits objets tels que des trombones ou des pièces de monnaie. Pour un petit équilibre, vous pouvez utiliser un bâton de popsicle comme poutre.
- Un point d'appui, qui supportera la poutre en un seul point au milieu (ou très proche d'un seul point). Pour une petite échelle de popsicle, l'utilisation d'un morceau de caoutchouc, comme une gomme fine, pourrait fonctionner.
- Petits objets de poids connu servant de moyen de mesurer la masse de l'objet inconnu.
Afin de comprendre le but des petits objets de poids connu, nous devons savoir comment fonctionne une balance ou une balance.
Comment fonctionne une balance de poutre ?
Le principe physique derrière une balance à poutre est le couple. Une force appliquée à la poutre à une certaine distance du point d'appui (appelé bras de levier), ou du point où elle est équilibrée, produit un couple. Le couple donne lieu à un mouvement de rotation si les couples sont déséquilibrés.
Une balance à poutre utilise ce principe pour mesurer la masse ou le poids.
La formule du couple,, est
\tau = F\fois r
oùFest la force appliquée par l'objet, etrest le bras de levier. Notez que l'opération est un produit croisé, qui est une opération vectorielle, et non une multiplication. Le produit croisé ne sera non nul que si une composante de la force est perpendiculaire au bras de levier.
Il est clair que pour une balance à poutre, le bras de levier peut être représenté comme un vecteur qui commence au point d'appui et pointe vers l'extrémité de la poutre. Le vecteur de force commence au point où se trouve la masse et il est parallèle à la direction de la gravité.
Pour vérifier si cette équation a du sens, pensez à ouvrir une porte. Pour ouvrir la porte, vous devez tirer perpendiculairement à la porte. Si vous deviez faire face au bord de la porte et pousser ou tirer, vous n'ouvririez pas la porte. L'équation du couple décrit précisément ce phénomène physique.
Pour les problèmes à deux dimensions, la formule devient
\tau=Fr\sin{\theta}
auquel cas le produit croisé a été effectué, et le sinus de l'angle entre les directions de la force et le bras de levier est. Lorsque l'angle entre la force et le bras de levier se rapproche de 0, le couple passe également à 0, ce qui est logique.
Retour à la balance ou à la balance DIY
Afin d'utiliser une balance pour déterminer la masse d'un objet, l'objet de masse inconnue doit être placé à une extrémité de la balance. Cela induira un couple et le balancier tournera autour du point d'appui et reposera sur le sol jusqu'à ce que le couple soit équilibré. Alors comment équilibrer le couple ?
C'est là que les objets de masse connue sont nécessaires.
Nous pouvons ajouter lentement les objets de masse connue à l'extrémité opposée et commencer à déterminer la force appropriée. Lorsque le faisceau est équilibré et que les deux extrémités sont à des hauteurs égales du sol, les forces aux deux extrémités du faisceau sont équilibrées.
Lorsque cela se produit, vous pouvez additionner la masse totale nécessaire pour équilibrer le faisceau, ce qui détermine la masse de l'objet inconnu.
N'oubliez pas que les bras de levier des deux côtés de la poutre doivent être exactement égaux. Sinon, les forces nécessaires pour équilibrer le couple ne seront pas exactement égales et des calculs supplémentaires seraient nécessaires pour déterminer la masse inconnue.