เครื่องชั่งทำตามชื่อได้อย่างแม่นยำ: เครื่องชั่งสองรายการ คุณสามารถกำหนดมวลของวัตถุได้โดยใช้อันเดียว
มาดูวิธีการสร้างมาตราส่วนหรือความสมดุลที่ต้องทำด้วยตัวเอง (DIY) และดูว่าหลักฟิสิกส์เบื้องหลังทำงานอย่างไร
วิธีสร้างแบบจำลองบีมบาลานซ์สำหรับโครงการโรงเรียน
คุณจะต้องมีสิ่งต่อไปนี้เพื่อสร้างเครื่องชั่งมวลรวมแบบโฮมเมด:
- ลำแสงที่ทนทาน ซึ่งสามารถเลือกได้ตามสิ่งที่คุณจะชั่งน้ำหนัก หากคุณกำลังจะชั่งน้ำหนักของที่หนักมาก คุณอาจต้องใช้ไม้สักชิ้นเพื่อสร้างเครื่องชั่งขนาดยักษ์ มีแนวโน้มมากขึ้น คุณจะต้องการสร้างเครื่องชั่งขนาดเล็กที่สามารถใช้เพื่อชั่งน้ำหนักวัตถุขนาดเล็ก เช่น คลิปหนีบกระดาษหรือเหรียญ สำหรับความสมดุลเล็กน้อย คุณสามารถใช้ไม้ไอติมเป็นคานได้
- จุดศูนย์กลางซึ่งจะรองรับลำแสงที่จุดเดียวตรงกลาง (หรือใกล้กับจุดเดียวมาก) สำหรับเกล็ดไอติมขนาดเล็ก การใช้ลิ่มยาง เช่น ยางลบแบบบางก็สามารถทำได้
- วัตถุขนาดเล็กที่มีน้ำหนักที่รู้จักเพื่อทำหน้าที่เป็นเครื่องมือวัดมวลของวัตถุที่ไม่รู้จัก
เพื่อให้เข้าใจจุดประสงค์ของวัตถุขนาดเล็กที่มีน้ำหนักที่ทราบ เราต้องรู้ว่าเครื่องชั่งหรือตาชั่งทำงานอย่างไร
บีมบาลานซ์ทำงานอย่างไร?
หลักการทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังคานสมดุลคือแรงบิด แรงที่ใช้กับลำแสงที่ระยะห่างจากจุดศูนย์กลาง (ซึ่งเรียกว่าแขนคันโยก) หรือจุดที่สมดุลจะทำให้เกิดแรงบิด แรงบิดทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุนได้หากแรงบิดไม่สมดุล
คานสมดุลใช้หลักการนี้ในการวัดมวลหรือน้ำหนัก
สูตรแรงบิด τ คือ
\tau = F\times r
ที่ไหนFคือแรงที่วัตถุกระทำ และrคือคันโยก โปรดทราบว่าการดำเนินการนี้เป็นผลคูณ ซึ่งเป็นการดำเนินการแบบเวกเตอร์ ไม่ใช่การคูณ ผลิตภัณฑ์กากบาทจะไม่เป็นศูนย์หากองค์ประกอบบางอย่างของแรงตั้งฉากกับแขนก้านบังคับ
เป็นที่ชัดเจนว่าสำหรับคานทรงตัว แขนคันโยกสามารถแสดงเป็นเวกเตอร์ที่เริ่มต้นที่จุดศูนย์กลางและชี้ออกไปที่ส่วนท้ายของลำแสงได้ เวกเตอร์แรงเริ่มต้นที่จุดที่มวลตั้งอยู่ และขนานกับทิศทางของแรงโน้มถ่วง
เพื่อตรวจสอบว่าสมการนี้สมเหตุสมผลหรือไม่ ให้นึกถึงการเปิดประตู ในการเปิดประตู คุณต้องดึงให้ตั้งฉากกับประตู หากคุณหันหน้าไปทางขอบประตูแล้วดันหรือดึง คุณจะไม่เปิดประตู สมการของแรงบิดอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพนั้นอย่างแม่นยำ
สำหรับปัญหาสองมิติ สูตรจะกลายเป็น
\tau=พ่อ\sin{\theta}
ในกรณีนี้ได้ดำเนินการข้ามผลิตภัณฑ์แล้ว และไซน์ของมุมระหว่างทิศทางของแรงกับคันโยกคือ θ เมื่อมุมระหว่างแรงกับแขนก้านบังคับเข้าใกล้ 0 แรงบิดก็จะไปที่ 0 ด้วย ซึ่งสมเหตุสมผล
กลับไปที่เครื่องชั่ง DIY หรือเครื่องชั่ง
ในการใช้เครื่องชั่งเพื่อกำหนดมวลของวัตถุ ควรวางวัตถุที่ไม่ทราบมวลไว้ที่ปลายด้านหนึ่งของเครื่องชั่ง สิ่งนี้จะทำให้เกิดแรงบิดและความสมดุลจะหมุนรอบจุดศูนย์กลางและพักบนพื้นดินจนกว่าแรงบิดจะสมดุล แล้วเราจะปรับสมดุลแรงบิดได้อย่างไร?
นี่คือที่ที่ต้องการวัตถุที่มีมวลที่รู้จัก
เราสามารถค่อยๆ เพิ่มวัตถุที่มีมวลที่ทราบไปยังปลายอีกด้านและเริ่มหาแรงที่เหมาะสม เมื่อคานสมดุลและปลายทั้งสองมีความสูงเท่ากันจากพื้น แรงที่ปลายทั้งสองของลำแสงจะสมดุล
เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น คุณสามารถเพิ่มมวลรวมที่จำเป็นในการปรับสมดุลลำแสง ซึ่งจะกำหนดมวลของวัตถุที่ไม่รู้จัก
โปรดจำไว้ว่า คันโยกทั้งสองข้างของลำแสงควรเท่ากันทุกประการ มิฉะนั้น แรงที่จำเป็นในการปรับสมดุลแรงบิดจะไม่เท่ากันทุกประการ และจะต้องมีการคำนวณเพิ่มเติมเพื่อกำหนดมวลที่ไม่ทราบค่า