Spēka momenta noteikšana leņķī vērstiem spēkiem

Apskatīt video Khan Academy platformā: Khan AcademyFinding torque for angled forces

Transkripts:
00:00
- [Instruktors] Nezinu, kā tev,
00:01
bet uzdevumi par spēka momentu man kādreiz radīja trauksmi,
00:04
un, manuprāt, tas bija tāpēc, ka es īsti labi nesapratu,
00:06
ko nozīmē spēka moments un kā to aprēķināt.
00:08
Tāpēc šajā video es gribu tev parādīt,
00:10
kā aprēķināt spēka momentu.
00:12
Ir konceptuāli veidi un paņēmieni, kā to izdomāt,
00:15
tāpēc es vēlos ar tevi tajos dalīties,
00:16
lai turpmāk mums nebūtu tik ļoti jāuztraucas,
00:20
kad risinām uzdevumu par spēka momentu.
00:21
Un tieši tie uzdevumi, kas manī radīja vislielāko satraukumu,
00:24
bija tie, kuros spēks tika pielikts dīvainā leņķī,
00:27
ķersimies tam klāt.
00:28
Izdomāsim, kā aprēķināt spēka momentu,
00:30
ko rada, teiksim, šis 10 ņūtonu spēks,
00:32
kas pielikts 30 grādu leņķī.
00:34
Viena no pirmajām lietām, kas jādara,
00:35
aprēķinot spēka momentu, ir noteikt asi.
00:39
Ass ir punkts, ap kuru objekts rotēs.
00:42
Pieņemsim, ka šajā uzdevumā mums ir teikts,
00:45
ka objekts, lai arī kas tas būtu, rotē ap centru.
00:49
Tātad objekta centrs šajā gadījumā būtu ass.
00:51
Varbūt tas ir dēlis, kam cauri izdurta nagla,
00:54
vai varbūt tas ir skats no putna lidojuma
00:55
uz vienām no tām smalkajām stikla virpuļdurvīm,
00:58
kas ir smalkos restorānos un viesnīcās.
01:00
Lai nu kā, pieņemsim, ka ass bija pašā centrā,
01:02
un to ir svarīgi zināt, jo, ja spēks
01:04
radīs spēka momentu, tam jābūt pieliktam
01:07
kādā punktā, kas nav ass.
01:09
Citiem vārdiem sakot, ja tu mēģināsi atvērt
01:11
šīs stikla virpuļdurvis, spiežot tieši centrā,
01:14
nekas nenotiks, jo tās nerotēs.
01:17
Bet, jo tālāk tu pieliec šo spēku,
01:19
jo lielāku spēka momentu tu iegūsi
01:21
no pieliktā spēka.
01:22
Tātad spēks, kas pielikts šeit tālāk, radītu daudz lielāku spēka momentu
01:25
nekā spēks, kas pielikts šeit.
01:26
Tāpēc durvju rokturi atrodas tuvu durvju malai.
01:28
Būtu patiešām grūti atvērt durvis, spiežot tuvu eņģei.
01:31
Ja neesi mēģinājis, pamēģini.
01:32
Tas ir patiešām grūti.
01:33
Tagad, kad esam noteikuši asi, mēs varam aprēķināt,
01:35
cik lielu spēka momentu mēs radām.
01:37
Pirmā lieta, ko es varētu mēģināt,
01:38
lai aprēķinātu spēka momentu, būtu vienkārši teikt:
01:40
Labi, spēka moments. Es zinu, kas ir spēka moments.
01:42
Spēka moments ir F reiz D, vai F reiz r.
01:45
To var saukt par r.
01:46
Bet ir svarīgi zināt, ka šis r apzīmē
01:49
vektoru, kas vērsts no ass uz punktu,
01:53
kurā tika pielikts spēks.
01:54
Tātad šajā gadījumā tas attēlotu
01:56
vektoru no šīs ass līdz punktam,
01:59
kur spēks tika pielikts, un tas būtu šis.
02:01
Šis būtu r.
02:02
Ievēro, ka r ne vienmēr ir viss rādiuss,
02:05
un tas nav viss objekta garums.
02:07
Vienmēr no ass līdz punktam, kur spēks ir pielikts,
02:11
un tehniski šis r ir vektors.
02:13
To var uztvert kā rādiusvektoru,
02:15
bet jebkurā gadījumā tas ir vērsts no ass
02:18
uz punktu, kur spēks ir pielikts.
02:19
Tas nav vērsts pretējā virzienā.
02:21
Virziens nav uz asi,
02:22
virziens vienmēr ir prom no ass uz to punktu,
02:26
kur spēks tiek pielikts objektam.
02:29
Piešķirsim tam skaitli.
02:30
Pieņemsim, ka tas ir 2 metrus no šīs ass
02:32
līdz punktam, kur tika pielikti šie 10 ņūtoni.
02:34
Tagad mēs varam aprēķināt šo spēka momentu,
02:36
bet tev jābūt uzmanīgam.
02:37
Kļūda, ko es varētu pieļaut, būtu vienkārši teikt:
02:40
spēks bija 10 ņūtoni, r šeit ir 2 metri,
02:43
tātad manam spēka momentam vajadzētu būt 20, vai ne?
02:45
2 reiz 10?
02:46
Bet tas nav pareizi, jo šis spēks
02:48
ne vienmēr apzīmē kopējo spēku.
02:51
Ja tu vienkārši uzraksti šo spēka momenta formulu šādi,
02:53
tad tu patiesībā domā, ka šis spēks
02:55
ir spēks, kas ir perpendikulārs šim r.
02:58
Tātad tikai šī spēka perpendikulārā komponente
03:01
radīs spēka momentu uz durvīm.
03:04
Komponente, kas ir paralēla r, nerada nekādu spēka momentu,
03:07
un tam vajadzētu būt loģiski.
03:08
Ja es to uzzīmēšu, ļauj man uzzīmēt komponentes.
03:10
Ja es sadalu šos 10 ņūtonus komponentē,
03:12
kas iet šajā virzienā, es to saukšu par F paralēlo,
03:15
jo šis spēks ir paralēls r.
03:17
Tas ir vērsts tajā pašā virzienā kā r.
03:20
Un es to sadalīšu arī šajā komponentē,
03:22
šajā perpendikulārajā komponentē,
03:23
un es to saukšu par F perpendikulāro,
03:25
jo šī komponente ir perpendikulāra šim r vektoram.
03:28
Tikai šī perpendikulārā komponente radīs spēka momentu,
03:31
un tam vajadzētu būt loģiski.
03:33
Spēka moments ir spēks, kas liek kaut kam sākt rotēt
03:36
vai mainīt tā rotāciju.
03:38
Tātad vienīgā šī spēka komponente,
03:40
šo 10 ņūtonu spēka komponente, kas liks šīm durvīm rotēt,
03:43
ir šī perpendikulārā komponente.
03:44
Tādā veidā ir jāspiež durvis, lai tās rotētu.
03:48
Tu nevelc asi šajā virzienā.
03:49
Ja es pienāktu un mēģinātu atvērt šīs stikla virpuļdurvis,
03:53
spiežot tajā virzienā, tu padomātu, ka esmu traks,
03:55
jo tas neliks durvīm rotēt.
03:58
Līdzīgi, mēģinot vilkt durvis tajā virzienā,
04:00
tas neliks šīm durvīm rotēt.
04:02
Tev ir jāpieliek spēks, kas ir perpendikulārs šim r vektoram,
04:06
lai durvis sāktu rotēt.
04:08
Citiem vārdiem sakot, tikai spēka perpendikulārās komponentes,
04:12
kas ir perpendikulāras r, radīs spēka momentu.
04:15
Tātad tā ir tikai šī 10 ņūtonu spēka komponente,
04:18
kas radīs spēka momentu,
04:20
un mēs to varam aprēķināt.
04:21
Ja šis leņķis ir 30 grādi, šis ir iekšējais šķērsleņķis.
04:25
Tas nozīmē, ka šis arī ir 30 grādi.
04:27
Tātad, pamatojoties uz ģeometriju, šie leņķi ir vienādi.
04:31
Tas nozīmē, ka šī perpendikulārā komponente,
04:33
būs... paskatīsimies, tā ir pretkatete.
04:36
Šī mala atrodas pretī šiem 30 grādiem,
04:38
tāpēc varu teikt, ka tā būs 10 ņūtoni,
04:41
hipotenūza būtu 10 ņūtoni reiz sinuss no 30.
04:44
Un 10 ņūtoni reiz sin(30°) ir 5 ņūtoni.
04:48
Tātad beidzot varu teikt, ka spēka moments, kas iedarbojas uz šīm durvīm,
04:52
ko rada šis 10 ņūtonu spēks 30 grādu leņķī,
04:55
būtu perpendikulārā komponente, kas ir 5 ņūtoni,
04:58
reizināta ar attālumu no ass, kurā spēks tika pielikts,
05:02
un tas bija 2 metri, un es iegūstu, ka spēka moments šeit
05:05
būs 10 ņūtonmetri.
05:07
Šajā brīdī es tevi nevainotu,
05:08
ja tu nedomātu: "Redzi, tāpēc es ienīstu spēka momentu."
05:11
Man ir jāatceras, ka šie 2 metri ir no ass
05:14
līdz punktam, kur tiek pielikts spēks.
05:15
Man ir jāatceras, ka man jāņem tikai
05:18
perpendikulārā komponente,
05:19
un man ir jāatceras, ka perpendikulārs
05:21
nozīmē perpendikulārs šim r vektoram.
05:24
Tev varētu rasties jautājums: vai ir kāds vieglāks veids, kā to izdarīt?
05:26
Vai ir kāda formula, kas ļauj
05:27
man tik ļoti nenoslogot smadzenes,
05:30
kad es mēģinu risināt šos uzdevumus?
05:32
Un ir gan.
05:33
Tā kā šī spēka komponente vienmēr ir tā komponente,
05:35
kas ir perpendikulāra r,
05:38
mēs to varam ņemt vērā, rakstot formulu.
05:40
Citiem vārdiem sakot, veids, kā tu aprēķini
05:41
šo perpendikulāro komponenti, ir ņemot lielumu
05:44
no kopējā spēka, 10 ņūtoniem,
05:46
un reizinot to ar leņķa sinusu,
05:49
kas ir starp r vektoru un F vektoru.
05:51
Tieši to mēs darījām, lai iegūtu šos 5 ņūtonus,
05:53
kāpēc gan neuzrakstīt šo formulu, skaidri izsakot
05:56
to ar kopējo spēku reiz sinuss no teta?
06:00
Tā būs perpendikulārā komponente,
06:02
un tad reizinām ar r.
06:04
Tas, ko tas apzīmē, ir šis,
06:06
šis F sinuss teta ir F perpendikulārais,
06:09
un tad to reizina ar r, kā mēs vienmēr darām.
06:12
Vairumā mācību grāmatu tu redzēsi to uzrakstītu šādi.
06:14
Viņiem patīk likt sinusu teta beigās.
06:16
Tas izskatās nedaudz glītāk.
06:18
Ja mēs reizinām F ar r un ar sinusu no teta,
06:20
tagad mēs varam vienkārši ievietot visus 10 ņūtonus
06:23
spēka vietā, visus 2 metrus r vietā,
06:26
un šī teta būtu leņķis starp spēku
06:30
un r vektoru, bet tas ir ļoti svarīgi.
06:32
Tev jāatceras, ja tu izmantosi šo formulu
06:34
šīs formulas vietā, tev jāatceras,
06:35
ka šis leņķis vienmēr ir leņķis
06:37
starp spēka vektoru un r vektoru,
06:40
kas ir vektors no ass
06:42
līdz punktam, kur spēks ir pielikts.
06:44
Kas šajā gadījumā bija 30 grādi.
06:47
Dažreiz tas nav acīmredzami.
06:48
Kā noteikt leņķi starp F un r?
06:51
Vispirms tu nosaki F virzienu
06:53
un r virzienu.
06:54
Drošākais veids, kā to izdomāt, būtu iedomāties,
06:56
paņemt šo F vektoru un vienkārši to pārvietot,
06:59
tā, lai tā sākumpunkts būtu pie r vektora sākumpunkta.
07:02
Un tad tev būtu jānoskaidro, labi,
07:03
cik liels ir leņķis starp šo F un šo r?
07:07
Atkal iekšējie šķērsleņķi, kas dod 30.
07:10
Tātad tas ir tas leņķis.
07:12
Leņķis starp F vektoru un r vektoru
07:15
ir leņķis, ko mēs meklējam,
07:16
kad mēs aprēķinām spēka momentu,
07:18
ko rada noteikts spēks.
07:20
Izmantosim šo formulu.
07:21
Paņemšu šo formulu, ņemsim šo,
07:23
mēs to izmantosim, lai atrisinātu citu piemēru,
07:26
jo vienīgais veids, kā to labi iemācīties
07:27
un nebaidīties, ir nedaudz pavingrināties.
07:29
Ņemsim mūsu jauno formulu: spēka moments ir F r sinuss teta,
07:33
un pieņemsim, ka spēks tika pielikts tieši šeit.
07:35
Un pieņemsim, ka tev ir doti šie attālumi
07:37
un mēs gribam noskaidrot, cik lielu spēka momentu
07:39
rada šis 20 ņūtonu spēks,
07:41
ja tas ir 60 grādu leņķī.
07:43
Mēs izmantojam mūsu formulu.
07:44
Mēs izmantosim šo F kā visu F.
07:47
Tagad mums nav jāsadala F komponentēs.
07:48
Mēs varam vienkārši teikt, ka tie ir visi 20 ņūtoni spēka.
07:52
Viss spēka lielums reiz r,
07:55
bet mums ir visi šie.
07:56
Mums šeit ir trīs dažādi r.
07:57
Kuru mēs izmantojam?
07:58
Atceries, r ir definēts kā attālums no ass,
08:02
kas atkal būs vidū,
08:03
līdz punktam, kur spēks tika pielikts.
08:05
Tas ir šajā virzienā, tātad r lielums ir 1.
08:08
Tas nav 3, tas nav 4.
08:10
Ja tev ir doti vairāki skaitļi, tev jābūt uzmanīgam.
08:12
Tev ir jāizvēlas tas vektors, kas iet no ass
08:15
līdz punktam, kur spēks ir pielikts,
08:17
tātad šī vektora garums ir 1 metrs.
08:20
Un tad tas būs sinuss no leņķa
08:22
starp spēka vektoru un r vektoru.
08:25
Padomā par to.
08:26
Spēks iet šādi, uz leju un pa labi.
08:28
r iet pa kreisi.
08:30
Patiesais leņķis starp r un F būtu... mums būtu jāiedomājas
08:34
pārvietot F tā, lai to sākumpunkti sakristu,
08:37
un tad mēs varētu teikt, ka F ir vērsts uz leju un pa labi.
08:40
r iet pa kreisi.
08:41
Leņķis starp tiem būtu tik liels.
08:44
To mēs varam atrast dažādos veidos.
08:46
Viena lieta, ko mēs varētu darīt, ir iedomāties
08:48
šeit izveidot taisnleņķa trijstūri.
08:49
Ja tas ir 60 grādi un šis ir 90,
08:52
tad šim ir jābūt 30 grādiem, jo iekšējo leņķu
08:56
summai trīsstūrī jābūt 180.
08:58
Un, ja tas ir 30 un šis ir 90,
09:00
tad tam leņķim jābūt 120.
09:02
Tātad mēs varam ievietot 120 grādus šeit kā faktisko leņķi
09:07
starp spēka vektoru un r vektoru.
09:10
Ja tu to palaidi garām, iemesls, kāpēc mēs sakām 120,
09:12
ir tas, ka 90 + 30 = 120.
09:14
Tātad, ja leņķis starp r un F
09:17
ir 90° + 30°,
09:20
tad tas būs 120 grādi.
09:22
Tāpēc mēs šeit liekam 120
09:24
kā leņķi starp r un F,
09:26
bet tu varētu būt noraizējies.
09:27
Tu varētu nodomāt: "Tas bija daudz darba."
09:29
Es negribu to darīt.
09:30
Es tikai gribu paņemt savu F vektoru
09:31
un noteikt leņķi starp F un r.
09:34
Vai man tiešām ir jāiedomājas to pārvietot?
09:35
Nē, nav. Tas nav tik grūti.
09:37
Jā, tehniski, saliekot sākumpunktus, ir veids, kā noteikt
09:40
leņķi starp diviem vektoriem,
09:42
bet, saliekot galus, iegūst to pašu leņķi.
09:45
Tātad es varēju vienkārši skatīties uz šo leņķi šeit.
09:46
Es zināju, ka šis ir 60, un es zināju, ka 180 - 60
09:50
ir 120, tātad tas ir vēl viens veids, kā noskaidrot,
09:53
leņķi, ko šeit ievietot.
09:55
Citiem vārdiem sakot, tev nav jāiedomājas
09:56
pārvietot šo vektoru, saliekot sākumpunktus.
09:58
Ja vektoru gali saskaras,
10:00
ja tava F vektora un r vektora gali saskaras,
10:03
vienkārši atrodi leņķi starp F vektoru
10:05
un r vektoru šādā veidā.
10:06
Tas joprojām dos to pašu leņķi, kas ir 120 grādi.
10:09
Tagad tu varētu brīnīties, kas notiks, ja es visu galīgi sajaukšu?
10:11
Kas būtu, ja 120 vietā es vienkārši ieliktu 60?
10:14
Galu galā, tas bija dotais leņķis.
10:16
Kas notiktu tad?
10:17
Izrādās, tu joprojām iegūtu pareizo atbildi.
10:19
Spēka momenta formula šajā ziņā ir saudzīga,
10:22
jo, pat ja es ievietotu 60, sinuss no 60
10:25
ir tas pats, kas sinuss no 120.
10:27
Tā nav sagadīšanās.
10:28
Tas ir tāpēc, ka šis leņķis, šie 120 starp F un r,
10:32
ir papildleņķis šiem 60 grādiem.
10:35
Padomā par to.
10:36
Viss šis leņķis no šī punkta
10:37
līdz pat turienei ir 180.
10:39
Ja šis ir 120, šiem 60 grādiem
10:41
ir jābūt papildleņķim,
10:43
jo tiem summā jābūt 180.
10:45
Un papildleņķu sinusi
10:47
dod to pašu atbildi.
10:48
Tātad, ja es šeit ievietotu 60 grādus, tas joprojām darbotos.
10:51
Īsāk sakot, lai gan mēs definējām leņķi
10:53
starp vektoriem kā leņķi starp tiem,
10:55
kad tie ir salikti ar sākumpunktiem, tu vari tos salikt ar galiem,
10:57
tas joprojām dod to pašu leņķi kā saliekot ar sākumpunktiem,
11:00
un, tā kā mēs ņemam sinusu no šī leņķa,
11:03
mēs varam izmantot jebkuru no šiem papildleņķiem,
11:05
lai iegūtu to pašu atbildi.
11:07
Vienkārši noliec savu F vektoru blakus savam r vektoram,
11:09
atrodi jebkuru no šiem leņķiem.
11:11
Tu vari to izmantot šajā spēka momenta formulā,
11:13
un tu iegūsi pareizo atbildi.
11:14
Tātad, atkārtojot, tu vari aprēķināt spēka momentu no spēka,
11:17
ņemot šī spēka perpendikulāro komponenti
11:19
un reizinot to ar r vektora garumu,
11:22
kur šis r vektors ir vektors, kas vērsts no ass
11:26
līdz punktam, kur spēks ir pielikts.
11:28
Un ar "perpendikulārs" mēs domājam perpendikulārs
11:30
r vektoram.
11:31
Vai arī tu varētu izmantot šo formulu, kur F apzīmētu
11:34
visu spēka lielumu.
11:36
r būtu r vektora garums,
11:38
un teta šeit apzīmē leņķi
11:40
starp spēka un r vektoru,
11:42
kad tie ir salikti ar galiem, kad tie ir salikti ar sākumpunktiem,
11:45
vai, tā kā papildleņķu sinusi ir vienādi,
11:48
tu varētu ņemt arī papildleņķi
11:51
tam leņķim, kas ir starp F un r.

Kopsavilkums

Šajā video ir sniegta detalizēta pamācība, kā aprēķināt griezes momentu, īpaši pievēršoties bieži sastopamajai problēmai, kad spēks tiek pielikts leņķī. Instruktors cenšas mazināt satraukumu, kas saistīts ar griezes momenta uzdevumiem, skaidri izskaidrojot jēdzienus un formulas.

Apskatītās tēmas

  • Kas ir griezes moments?: Griezes moments tiek iepazīstināts kā spēks, kas liek objektam griezties.
  • Rotācijas ass noteikšana: Pirmais būtiskais solis jebkurā griezes momenta uzdevumā ir noteikt punktu, ap kuru objekts griezīsies (piemēram, virpuļdurvju centrs, durvju eņģe).
  • R vektors: Video definē R kā pozīcijas vektoru, kas vērsts no rotācijas ass uz punktu, kurā tiek pielikts spēks.
  • 1. metode: Spēka perpendikulārās komponentes izmantošana
    • Formula ir Griezes moments = F_perpendikulārais * R.
    • Tikai tā spēka komponente, kas ir perpendikulāra R vektoram, rada griezes momentu.
    • Spēka komponente, kas ir paralēla R vektoram, rotāciju neizraisa.
  • 2. metode: Pilnā formula
    • Formula ir Griezes moments = F * R * sin(θ).
    • Šī formula tiek piedāvāta kā tiešāks veids, kā risināt griezes momenta uzdevumus.
    • F ir kopējā spēka lielums.
    • R ir R vektora garums.
    • θ (teta) ir leņķis starp F vektoru un R vektoru.
  • Leņķa (θ) atrašana: Instruktors paskaidro, ka, lai gan tehniski leņķis starp diviem vektoriem tiek definēts, kad to sākumpunkti ir savienoti, formula darbojas arī tad, ja izmanto leņķi, kad to galapunkti ir savienoti. Turklāt, tā kā sin(θ) = sin(180° - θ), var izmantot blakusleņķi un joprojām iegūt pareizu atbildi, kas vienkāršo procesu.

Atslēgvārdi

  • Griezes moments
  • Spēks
  • Rotācijas ass
  • R vektors (pozīcijas vektors)
  • Perpendikulārā komponente
  • Paralēlā komponente
  • Sinuss (sin)
  • Leņķis
  • Ņūtoni (N)
  • Ņūtonmetri (Nm)
  • Vektori

Darbības un piemēri

  1. Jēdzieniskā analoģija: Video izmanto piemēru ar stikla virpuļdurvju stumšanu vai parastu durvju atvēršanu, lai paskaidrotu, kāpēc spēks, kas pielikts tālāk no ass (piemēram, pie durvju roktura), rada lielāku griezes momentu nekā spēks, kas pielikts tuvāk asij (pie eņģes).
  2. Pirmais aprēķina piemērs:
    • Uzdevums: Atrast griezes momentu, ko rada 10 N spēks, kas pielikts 30° leņķī 2 metru attālumā no ass.
    • 1. metode: Spēks tiek sadalīts paralēlajā un perpendikulārajā komponentē. Perpendikulārā komponente tiek aprēķināta kā 10 * sin(30°) = 5 N. Tad griezes moments ir 5 N * 2 m = 10 Nm.
    • 2. metode: Tiek izmantota pilnā formula F * R * sin(θ): 10 N * 2 m * sin(30°) = 10 Nm.
  3. Otrais aprēķina piemērs:
    • Uzdevums: Atrast griezes momentu, ko rada 20 N spēks, kas pielikts 60° leņķī 1 metra attālumā no ass, kur R vektors un F vektors ir vērsti vispārēji pretējos virzienos.
    • Darbība: Instruktors demonstrē, kā atrast patieso leņķi starp F un R vektoriem (120°).
    • Aprēķins: Griezes moments tiek aprēķināts, izmantojot 20 N * 1 m * sin(120°).
    • Galvenā atziņa: Instruktors parāda, ka, izmantojot doto 60° leņķi (sin(60°)), tiek iegūts tāds pats rezultāts, jo 60° un 120° ir blakusleņķi.