Баланс робить саме те, що підказує назва: він балансує два елементи. За його допомогою можна визначити масу предмета.
Давайте пройдемося до того, як скласти шкалу або баланс своїми руками (DIY) і подивимось, як працює принцип фізики, що лежить в основі.
Як зробити модель балансування променя для шкільних проектів
Для складання саморобної ваги ваги маси вам знадобиться наступне:
- Міцна балка, яку можна вибрати, виходячи з того, що ви будете зважувати. Якщо ви будете зважувати дуже важкі предмети, вам може знадобитися шматок пиломатеріалів, щоб скласти гігантські ваги. Швидше за все, вам захочеться скласти невеликий баланс, який можна використовувати для зважування дрібних предметів, таких як скріпки або монети. Для невеликого балансу ви можете використовувати еластичну паличку в якості пучка.
- Точка опори, яка буде підтримувати промінь в одній точці посередині (або дуже близько до однієї точки). Для невеликого масштабу мороженого могло б підійти клин гуми, такий як тонкий ластик.
- Невеликі предмети з відомою вагою виступають як засіб вимірювання маси невідомого предмета.
Для того, щоб зрозуміти призначення малих предметів із відомою вагою, нам потрібно знати, як працює вага чи вага.
Як працює балансир балок?
Фізичний принцип, що стоїть за вагою променя, - крутний момент. Сила, прикладена до променя на деякій відстані від точки опори (яка називається важелем важеля), або точки, де вона врівноважена, створює крутний момент. Крутний момент породжує обертальний рух, якщо моменти незбалансовані.
Вага променя використовує цей принцип для вимірювання маси або ваги.
Формула крутного моменту, τ, дорівнює
\ tau = F \ разів r
деF- сила, прикладена об'єктом, ір- важіль важеля. Зверніть увагу, що операція є перехресним добутком, який є векторною операцією, а не множенням. Поперечний добуток буде ненульовим, лише якщо деяка складова сили перпендикулярна до важеля важеля.
Зрозуміло, що для балансу променя важіль важеля можна представити у вигляді вектора, який починається в точці опори і вказує на кінець променя. Вектор сили починається в точці, де знаходиться маса, і вона паралельна напрямку сили тяжіння.
Щоб перевірити, чи має це рівняння сенс, подумайте про відкриття дверей. Для того, щоб відкрити двері, потрібно потягнути перпендикулярно до дверей. Якби вам довелося зіткнутися з краєм дверей і штовхнути чи потягнути, ви б не відкрили двері. Рівняння крутного моменту точно описує ті фізичні явища.
Для двовимірних задач формула стає
\ tau = Fr \ sin {\ theta}
у цьому випадку було виконано поперечний добуток, а синус кута між напрямками сили та важелем важеля дорівнює θ. Коли кут між силою та важелем важеля наближається до 0, крутний момент також дорівнює 0, що має сенс.
Повернімося до шкали або ваги "зроби сам"
Для того, щоб за допомогою ваги визначити масу об’єкта, об’єкт невідомої маси слід розмістити на одному кінці ваги. Це призведе до крутного моменту, і рівновага буде обертатися навколо точки опори і лягати на землю, поки крутний момент не збалансується. То як ми можемо збалансувати крутний момент?
Тут потрібні об’єкти з відомою масою.
Ми можемо повільно додати предмети відомої маси до протилежного кінця і почати визначати відповідну силу. Коли балка врівноважена, і обидва її кінці знаходяться на однаковій висоті від землі, сили на обох кінцях балки врівноважені.
Коли це станеться, ви зможете скласти загальну масу, необхідну для збалансування променя, яка визначає масу невідомого об’єкта.
Пам’ятайте, що важелі важелів по обидва боки балки повинні бути рівними. Якщо ні, сили, необхідні для врівноваження крутного моменту, будуть не зовсім однаковими, і для визначення невідомої маси потрібно провести додатковий розрахунок.