Un equilibrio fa esattamente ciò che suggerisce il nome: bilancia due elementi. Usandone uno, puoi determinare la massa di un oggetto.
Esaminiamo come creare una scala o un equilibrio fai-da-te (fai-da-te) e vediamo come funziona il principio fisico alla base.
Come realizzare un modello di bilanciamento del fascio per progetti scolastici
Avrai bisogno di quanto segue per realizzare la tua bilancia di bilancio di massa fatta in casa:
- Una trave robusta, che può essere raccolta in base a ciò che peserai. Se stai pesando oggetti molto pesanti, potresti aver bisogno di un pezzo di legno per creare una bilancia gigante. Più probabilmente, vorrai creare una piccola bilancia che può essere utilizzata per pesare piccoli oggetti come graffette o monete. Per un piccolo equilibrio, puoi usare un bastoncino di ghiacciolo come trave.
- Un fulcro, che sosterrà la trave in un unico punto nel mezzo (o molto vicino a un singolo punto). Per una piccola scala di ghiaccioli, l'uso di un cuneo di gomma, come una gomma sottile, potrebbe funzionare.
- Piccoli oggetti di peso noto che fungono da mezzo per misurare la massa dell'oggetto sconosciuto.
Per comprendere lo scopo dei piccoli oggetti di peso noto, abbiamo bisogno di sapere come funziona una bilancia.
Come funziona un bilanciamento del raggio?
Il principio fisico alla base di un bilanciamento del raggio è la coppia. Una forza applicata al raggio ad una certa distanza dal fulcro (che è chiamato braccio di leva), o dal punto in cui è bilanciato, produce una coppia. La coppia dà origine al movimento rotatorio se le coppie sono sbilanciate.
Una bilancia a trave utilizza questo principio per misurare la massa o il peso.
La formula per la coppia,, è
\tau = F\volte r
doveFè la forza applicata dall'oggetto, erè il braccio di leva. Si noti che l'operazione è un prodotto incrociato, che è un'operazione vettoriale, e non una moltiplicazione. Il prodotto vettoriale sarà diverso da zero solo se qualche componente della forza è perpendicolare al braccio di leva.
È chiaro che per una bilancia a trave, il braccio di leva può essere rappresentato come un vettore che parte dal fulcro e punta verso la fine della trave. Il vettore di forza inizia nel punto in cui si trova la massa ed è parallelo alla direzione della gravità.
Per verificare se questa equazione ha senso, pensa di aprire una porta. Per aprire la porta bisogna tirare perpendicolarmente alla porta. Se dovessi affrontare il bordo della porta e spingere o tirare, non apriresti la porta. L'equazione per la coppia descrive precisamente quel fenomeno fisico.
Per problemi bidimensionali, la formula diventa
\tau=Ven\sin{\theta}
nel qual caso è stato eseguito il prodotto vettoriale, e il seno dell'angolo tra le direzioni della forza e il braccio di leva è. Quando l'angolo tra la forza e il braccio di leva si avvicina a 0, anche la coppia va a 0, il che ha senso.
Torna alla bilancia o bilancia fai da te
Per utilizzare una bilancia per determinare la massa di un oggetto, l'oggetto di massa sconosciuta deve essere posizionato su un'estremità della bilancia. Ciò indurrà una coppia e la bilancia ruoterà attorno al fulcro e resterà a terra finché la coppia non sarà bilanciata. Quindi come possiamo bilanciare la coppia?
È qui che sono necessari gli oggetti di massa nota.
Possiamo aggiungere lentamente gli oggetti di massa nota all'estremità opposta e iniziare a determinare la forza appropriata. Quando la trave è bilanciata ed entrambe le estremità sono alla stessa altezza da terra, le forze su entrambe le estremità della trave sono bilanciate.
Quando ciò accade, puoi sommare la massa totale necessaria per bilanciare il raggio, che determina la massa dell'oggetto sconosciuto.
Ricorda, i bracci della leva su entrambi i lati della trave dovrebbero essere esattamente uguali. In caso contrario, le forze necessarie per bilanciare la coppia non saranno esattamente uguali e sarebbero necessari ulteriori calcoli per determinare la massa sconosciuta.