Beräknar moment

När man studerar hur objekt roterar blir det snabbt nödvändigt att ta reda på hur en given kraft resulterar i en förändring av rotationsrörelsen. Tendensen hos en kraft att orsaka eller ändra rotationsrörelse kallas vridmoment, och det är ett av de viktigaste begreppen att förstå när man löser rotationsrörelsessituationer.

Betydelsen av moment

Moment (även kallad moment - mestadels av ingenjörer) beräknas genom att multiplicera kraft och avstånd. SI-momenten är Newton-meter eller N * m (även om dessa enheter är desamma som Joules, är momentet inte arbete eller energi, så borde bara vara Newton-meter).

Vid beräkningar representeras vridmomentet av den grekiska bokstaven tau: τ.

Vridmoment är en vektorkvantitet, vilket betyder att den har både en riktning och en magnitude. Detta är ärligt talat en av de svåraste delarna av att arbeta med vridmoment eftersom det beräknas med en vektorprodukt, vilket innebär att du måste tillämpa högerregeln. I det här fallet, ta din högra hand och krulla fingrarna på din hand i rotationsriktningen orsakad av kraften. Högerhandens tumme pekar nu i riktning mot vridmomentvektorn. (Detta kan ibland känna sig lite dumt, när du håller upp handen och pantomimerar för att räkna ut resultatet av en matematisk ekvation, men det är det bästa sättet att visualisera vektorns riktning.)

Vektorformeln som ger vridmomentvektorn τ är:

τ = r × F

Vektorn r är positionsvektorn med avseende på ett ursprung på rotationsaxeln (Denna axel är τ på bilden). Detta är en vektor med en storlek på avståndet där kraften appliceras på rotationsaxeln. Den pekar från rotationsaxeln mot den punkt där kraften appliceras.

Storleken på vektorn beräknas baserat på θ, vilket är vinkelskillnaden mellan r och F, med formeln:

τ = rFsynd(θ)

Speciella fall av moment

Ett par viktiga punkter om ovanstående ekvation, med några referensvärden på θ:

• θ = 0 ° (eller 0 radianer) - Kraftvektorn pekar ut i samma riktning som r. Som ni kanske gissar är detta en situation där kraften inte kommer att orsaka någon rotation runt axeln ... och matematiken tar ut detta. Eftersom synd (0) = 0, resulterar denna situation i τ = 0.
• θ = 180 ° (eller π radianer) - Detta är en situation där kraftvektorn pekar direkt in i r. Återigen, att skjuta mot rotationsaxeln kommer inte att orsaka någon rotation heller, och än en gång stöder matematiken denna intuition. Eftersom sin (180 °) = 0 är vridmomentets värde återigen τ = 0.
• θ = 90 ° (eller π/ 2 radianer) - Här är kraftvektorn vinkelrätt mot positionsvektorn. Detta verkar vara det mest effektiva sättet att du kan trycka på objektet för att öka rotationen, men stöder matematiken detta? Tja, sin (90 °) = 1, vilket är det maximala värdet som sinusfunktionen kan nå, vilket ger ett resultat av τ = rF. Med andra ord skulle en kraft som appliceras i någon annan vinkel ge mindre vridmoment än när den appliceras vid 90 grader.
• Samma argument som ovan gäller för fall av θ = -90 ° (eller -π/ 2 radianer), men med ett värde på sin (-90 °) = -1 vilket resulterar i det maximala vridmomentet i motsatt riktning.

Moment Exempel

Låt oss överväga ett exempel där du tillämpar en vertikal kraft nedåt, till exempel när du försöker lossa tappmuttrarna på ett platt däck genom att kliva på skruvnyckeln. I den här situationen är den ideala situationen att ha skruvnyckeln perfekt horisontell, så att du kan kliva i slutet av den och få maximalt vridmoment. Tyvärr fungerar det inte. I stället passar tappnyckeln på tappmuttrarna så att den är i 15% lutning mot horisontellt. Fästnyckeln är 0,60 m lång tills slutet, där du använder din fulla vikt på 900 N.

Hur stor är momentet??

Vad sägs om riktning ?: Genom att använda regeln "lefty-loosey, righty-tighty" vill du att lugsmuttern roterar åt vänster - moturs - för att lossa den. Använd höger hand och krulla fingrarna moturs, och tummen sticker ut. Så vridmomentets riktning är borta från däcken ... vilket också är den riktning som du vill att lugnmutterna i slutändan ska gå.

För att börja beräkna vridmomentets värde måste du inse att det finns en något vilseledande punkt i ovanstående uppsättning. (Detta är ett vanligt problem i dessa situationer.) Observera att de 15% som nämns ovan är lutningen från det horisontella, men det är inte vinkeln θ. Vinkeln mellan r och F måste beräknas. Det finns en lutning på 15 ° från horisontellt plus 90 ° avstånd från horisontell till nedåtriktad kraftvektor, vilket resulterar i totalt 105 ° som värdet av θ.