Как сделать весы баланса

Весы делают именно то, что следует из названия: они уравновешивают две позиции. С его помощью вы можете определить массу объекта.

Давайте рассмотрим, как сделать весы или весы своими руками, и посмотрим, как работает физический принцип, лежащий в основе этого.

Для изготовления самодельных весов баланса масс вам понадобится следующее:

• Прочная балка, которую можно выбрать в зависимости от того, что вы будете взвешивать. Если вы будете взвешивать очень тяжелые предметы, вам может понадобиться кусок древесины, чтобы сделать гигантские весы. Скорее всего, вы захотите сделать небольшие весы, которые можно использовать для взвешивания небольших предметов, таких как скрепки или монеты. Для небольшого баланса вы можете использовать палочку для мороженого в качестве балки.
• Точка опоры, которая будет поддерживать луч в одной точке посередине (или очень близко к одной точке). Для маленьких чешуек от мороженого подойдет резиновый клин, например тонкий ластик.
• Небольшие объекты известного веса, используемые в качестве средства измерения массы неизвестного объекта.

Чтобы понять назначение небольших предметов известного веса, нам нужно знать, как работают весы.

Физический принцип балансировки балок - крутящий момент. Сила, приложенная к балке на некотором расстоянии от точки опоры (которая называется плечом рычага) или точки, где она уравновешена, создает крутящий момент. Крутящий момент вызывает вращательное движение, если крутящие моменты неуравновешены.

Балочные весы используют этот принцип для измерения массы или веса.

Формула для крутящего момента τ:

гдеFсила, приложенная объектом, ирэто плечо рычага. Обратите внимание, что операция представляет собой перекрестное произведение, которое является векторной операцией, а не умножением. Поперечное произведение будет ненулевым только в том случае, если некоторая составляющая силы перпендикулярна плечу рычага.

Понятно, что для балансировки балок плечо рычага можно представить как вектор, который начинается в точке опоры и направлен к концу балки. Вектор силы начинается в точке, где расположена масса, и параллелен направлению силы тяжести.

Чтобы проверить, имеет ли это уравнение смысл, подумайте об открытии двери. Чтобы открыть дверь, нужно потянуть перпендикулярно двери. Если бы вы повернулись лицом к краю двери и толкнули или потянули, вы бы не открыли дверь. Уравнение для крутящего момента описывает именно это физическое явление.

Для двумерных задач формула принимает вид

в этом случае было выполнено перекрестное произведение, и синус угла между направлениями силы и плеча рычага равен θ. Когда угол между силой и плечом рычага приближается к 0, крутящий момент также становится равным 0, что имеет смысл.

Чтобы использовать весы для определения массы объекта, объект неизвестной массы должен быть помещен на один конец весов. Это вызовет крутящий момент, и баланс будет вращаться вокруг точки опоры и будет опираться на землю, пока крутящий момент не будет сбалансирован. Итак, как мы можем сбалансировать крутящий момент?

Здесь нужны объекты известной массы.

Мы можем медленно добавить объекты известной массы к противоположному концу и начать определение соответствующей силы. Когда балка уравновешена и оба конца находятся на одинаковой высоте от земли, силы на обоих концах балки уравновешиваются.

Когда это произойдет, вы можете сложить общую массу, необходимую для балансировки луча, которая определяет массу неизвестного объекта.

Помните, что плечи рычагов с обеих сторон балки должны быть абсолютно одинаковыми. В противном случае силы, необходимые для уравновешивания крутящего момента, не будут точно равными, и потребуются дополнительные вычисления для определения неизвестной массы.