Un sold face exact ceea ce sugerează numele: echilibrează două elemente. Folosind unul, puteți determina masa unui obiect.
Să trecem prin modul de a face o scală sau un echilibru de bricolaj (DIY) și să vedem cum funcționează principiul fizicii din spatele acestuia.
Cum se face un model de echilibru pentru proiecte școlare
Veți avea nevoie de următoarele pentru a vă face balanța de masă de casă:
- Un fascicul robust, care poate fi ales în funcție de ceea ce veți cântări. Dacă veți cântări obiecte foarte grele, este posibil să aveți nevoie de o bucată de cherestea pentru a face o cântare gigantică. Mai probabil, veți dori să creați o balanță mică care să poată fi utilizată pentru a cântări obiecte mici, cum ar fi agrafe sau monede. Pentru un echilibru mic, ați putea folosi un baston de gheață ca grindă.
- Un punct de sprijin, care va susține fasciculul într-un singur punct din mijloc (sau foarte aproape de un singur punct). Pentru o scară mică de gheață, ar putea funcționa utilizarea unei pene de cauciuc, cum ar fi o radieră subțire.
- Obiecte mici de greutate cunoscută care acționează ca mijloc de măsurare a masei obiectului necunoscut.
Pentru a înțelege scopul micilor obiecte de greutate cunoscută, trebuie să știm cum funcționează o balanță sau cântar.
Cum funcționează un echilibru de fascicul?
Principiul fizic din spatele echilibrului fasciculului este cuplul. O forță aplicată fasciculului la o anumită distanță de punctul de sprijin (care se numește brațul pârghiei), sau punctul în care este echilibrată, produce un cuplu. Cuplul dă naștere mișcării de rotație dacă cuplurile sunt dezechilibrate.
Un balans de fascicul folosește acest principiu pentru măsurarea masei sau greutății.
Formula cuplului, τ, este
\ tau = F \ ori r
UndeFeste forța aplicată de obiect șireste brațul pârghiei. Rețineți că operația este un produs încrucișat, care este o operație vectorială, și nu multiplicare. Produsul încrucișat va fi diferit de zero numai dacă o componentă a forței este perpendiculară pe brațul pârghiei.
Este clar că pentru un echilibru al fasciculului, brațul pârghiei poate fi reprezentat ca un vector care începe de la punctul de sprijin și se îndreaptă spre capătul fasciculului. Vectorul de forță începe în punctul în care se află masa și este paralel cu direcția gravitației.
Pentru a verifica dacă această ecuație are sens, gândiți-vă la deschiderea unei uși. Pentru a deschide ușa trebuie să trageți perpendicular pe ușă. Dacă ar fi să înfrunți marginea ușii și să împingi sau să tragi, nu ai deschide ușa. Ecuația cuplului descrie exact acel fenomen fizic.
Pentru problemele bidimensionale, formula devine
\ tau = Fr \ sin {\ theta}
caz în care produsul încrucișat a fost realizat, iar sinusul unghiului dintre direcțiile forței și brațul pârghiei este θ. Pe măsură ce unghiul dintre forță și brațul pârghiei se apropie de 0, cuplul merge și la 0, ceea ce are sens.
Înapoi la Scala sau echilibrul DIY
Pentru a utiliza o balanță pentru a determina masa unui obiect, obiectul cu masă necunoscută trebuie așezat pe un capăt al balanței. Acest lucru va induce un cuplu, iar balanța se va roti în jurul punctului de sprijin și se va așeza pe sol până când cuplul este echilibrat. Deci, cum putem echilibra cuplul?
Aici este nevoie de obiectele cu masă cunoscută.
Putem adăuga încet obiectele de masă cunoscută la capătul opus și să începem să determinăm forța adecvată. Când grinda este echilibrată și ambele capete sunt la înălțimi egale de la sol, forțele de pe ambele capete ale grinzii sunt echilibrate.
Când se întâmplă acest lucru, puteți adăuga masa totală care a fost necesară pentru a echilibra fasciculul, care determină masa obiectului necunoscut.
Amintiți-vă, brațele manetei de pe ambele părți ale fasciculului trebuie să fie exact egale. În caz contrar, forțele necesare pentru echilibrarea cuplului nu vor fi exact egale și ar fi necesare calcule suplimentare pentru a determina masa necunoscută.