Stel je voor: je moet een bout van een houten plank losdraaien. U vindt de juiste maat sleutel en bevestigt deze aan de bout. Om de sleutel los te maken, moet u de hendel vasthouden en in een richting trekken of duwen die loodrecht op de hendel van de sleutel staat. Als u in de richting van de sleutel duwt, wordt er geen moment op de bout uitgeoefend en wordt deze niet losgemaakt.
Koppel is de invloed die wordt berekend op basis van krachten die een rotatiebeweging veroorzaken of rotatie om een as veroorzaken.
Algemene koppelfysica
De formule voor het bepalen van het koppel,τis
\tau = r\maal F
waarris de hefboomarm enFis de kracht. Onthouden,r, τ, enFzijn allemaal vectorgrootheden, dus de operatie is geen scalaire vermenigvuldiging, maar een vectoruitwendig product. Als de hoek,θ, tussen de hefboomarm en de kracht bekend is, kan de grootte van het koppel worden berekend als:
\tau = rF\sin{\theta}
De standaard of SI-koppeleenheid is Newtonmeter of Nm.
Nettokoppel betekent het berekenen van het resulterende koppel vanneeverschillende bijdragende krachten. Dus:
\Sigma^n_i \vec{\tau} = \Sigma^n_i r_i F_i sin(\theta)
Net als in de kinematica, als de som van de koppels 0 is, is het object in rotatie-evenwicht, wat betekent dat het niet versnelt of vertraagt.
De woordenschat voor koppelfysica
De koppelvergelijking zit boordevol belangrijke informatie over hoe koppel wordt gegenereerd en hoe een netto koppel wordt berekend. Als u de termen in de vergelijking begrijpt, kunt u een algemene berekening van het nettokoppel maken.
Ten eerste is de rotatie-as het punt waaromheen de rotatie zal plaatsvinden. Voor het momentsleutelvoorbeeld was de rotatie-as door het midden van de bout, omdat de sleutel rond de bout zal draaien. Voor een wip is de rotatie-as het midden van de bank, waar het draaipunt is geplaatst, en de kinderen aan de uiteinden van de wip passen het koppel toe.
Vervolgens wordt de afstand tussen de rotatie-as en de uitgeoefende kracht de hefboomarm genoemd. Het bepalen van de hefboomarm kan lastig zijn omdat het een vectorgrootheid is, dus er zijn mogelijk veel mogelijke hefboomarmen, maar slechts één juiste.
Ten slotte is de actielijn een denkbeeldige lijn die vanuit de uitgeoefende kracht kan worden verlengd om de hefboomarm te bepalen.
Voorbeeld koppelberekening
De beste manier om met de meeste natuurkundige problemen te beginnen, is door een foto van de situatie te maken. Soms wordt die afbeelding beschreven als een vrijlichaamsdiagram (FBD), waarbij het object waarop de krachten werken wordt getekend, en de krachten worden getekend als pijlen met hun richting en grootte gelabeld. Andere belangrijke informatie om toe te voegen aan uw FBD zijn de coördinaatassen en de rotatie-as.
Voor het oplossen van het netto koppel is een nauwkeurig vrijlichaamsdiagram van cruciaal belang.
Stap 1: Teken de FBD en voeg een coördinaatassen toe. Label de rotatie-as.
Stap 2: Teken alle krachten die op het lichaam inwerken en gebruik de gegeven informatie om de krachten nauwkeurig te plaatsen ten opzichte van de rotatie-as.
Stap 3: Om de hefboomarm te bepalen (die waarschijnlijk in het probleem wordt gegeven), verlengt u de actielijn van de kracht, zodanig dat de hefboomarm door de as van de rotatie en loodrecht op de kan worden getrokken dwingen.
Stap 4: Informatie uit het probleem kan informatie geven over de hoek tussen de hefboomarm en de kracht, zodat de bijdrage aan het koppel kan worden berekend:
\tau_i=r_iF_i\sin{\theta_i}
Stap 5: Tel elke bijdrage van elk van de N-krachten bij elkaar op om het netto koppel te bepalen.