Mekaniikka

Tasavipu

Kaksi yhtä suurta voimaa painaa molempia päitä alaspäin. Yhtä pitkät varret + yhtä suuret voimat → väännöt kumoavat toisensa (τ = r × F) → vipu pysyy vaakasuorassa. Muuta toista voimaa Ominaisuudet-paneelissa nähdäksesi sen kallistuvan.

Tasavipu – interaktiivinen Mekaniikka-simulaatio. Kaksi yhtä suurta voimaa painaa molempia päitä alaspäin. Yhtä pitkät varret + yhtä suuret voimat → väännöt kumoavat toisensa (τ = r × F) → vipu pysyy vaakasuorassa. Muuta toista voimaa Ominaisuudet-paneelissa nähdäksesi sen kallistuvan. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Vääntömomentti ja vivut

Vipu kääntyy, kun resultanttivoima vääntömomentti on nollasta poikkeava. Tukipisteestä kauempana olevat voimat tuottavat suuremmat väännöt samalla suuruudella.

Vääntömomentti τ = r × F riippuu sekä voimasta että vivun varresta. Yhtä suuret voimat yhtä kaukana vastakkaisilla puolilla voivat tasapainottaa; etäisyyden tai voiman muuttaminen kallistaa vivun.

• τ = rF sin θ
• Στ = 0 tasapainossa

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

Vipu on kiinnitetty tarkasta keskustaan, ja kummankin pään päähän kohdistuu alaspäin suuntautuva työntö samalla etäisyydellä tukipisteestä. Jos toinen puoli työntää voimakkaammin kuin toinen, kallistuuko vipu voimakkaamman työnnön suuntaan, heikomman työnnön suuntaan vai pysyykö tasapainossa sillä välin?

Punniteltavat ennusteet

• Se kallistuu voimakkaamman työnnön suuntaan
• Se pysyy tasapainossa voimista riippumatta
• Se kallistuu heikomman työnnön suuntaan

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Vasen voima (N)
• Oikea voima (N)

Mitä mittaat:

• Resultaanttivääntö (simulaatiosta) (N·m)
• τ = r × F (laskettu) (N·m)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa Vipu-esiasetuksen. Jäykkä palkki on kiinnitetty keskustaan; 50 N alaspäin suuntautuva voima kohdistuu 2 m:n etäisyydelle tukipisteestä kummankin pään päähän.
2. Napsauta vasenta voimanuolta palkissa ja kirjaa sen suuruus Ominaisuudet-paneelissa, napsauta sitten oikeaa voimanuolta ja tee sama.
3. Jokaiselle alla olevalle riville aseta vasemman ja oikean voiman suuruudet Ominaisuudet-paneelissa täsmäämään, suorita simulaatio, valitse palkki ja lue τ = r × F -vääntöarvo matematiikkapaneelista.

Hallitseva yhtälö

Vääntömomentti — τ = r × F

Vääntömomentti on voiman kääntävä vaikutus tukipisteen ympäri: τ = r × F, jossa r on etäisyys tukipisteestä siihen kohtaan, jossa voima vaikuttaa. Vipu on tasapainossa, kun molemmilta puolilta tulevat väännöt kumoavat toisensa – yhtä suuret voimat yhtä kaukana tai erisuuruiset voimat käänteen suhteutettuina etäisyyksinä.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Jokaiselle riville laske 2 m × (oikea voima − vasen voima) käsin. Vertaa sitä resultanttivoimaan, jonka luit simulaation matematiikkapaneelista. Ovatko ne yhtä suuret?
• Rivillä 1 molemmat voimat ovat yhtä suuret ja vipu pysyy vaakasuorassa. Mitä se kertoo siitä, miten voimien ja varren pituuksien on suhduttava, jotta mikä tahansa vipu on tasapainossa?

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Todelliset vivut – kuten keinaha, jossa on eripainoisia ratsastajia – tarvitsevat usein eripitkiä varsia, eivät erisuuruisia voimia, tasapainottamiseen. Jos oikean puolen voima pysyi arvossa 50 N mutta sen etäisyys tukipisteestä kaksinkertaistui arvoon 4 m, minkä suuruinen voima vasemmalla varrella (edelleen 2 m:ssä) tarvittaisiin sen tasapainottamiseen?
• Kiintoavain, pullonavaaja ja sakset ovat kaikki vivut. Valitse yksi ja tunnista sen tukipiste, kohdistettu voima ja siirtämä kuorma – selitä sitten, miksi pidempi kahva tekee sen käytöstä helpompaa.

• AP Physics 1 — Unit 5: Torque and Rotational Dynamics
• AP Physics C: Mechanics — Unit 5: Torque and Rotational Dynamics
• IB Physics — A.4 Rigid body mechanics
• General High School Physics — Rotation, gravitation & orbits
• NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law

1. Tervetuloa vivun pariin
2. Valitse vipu
3. Paina Toista
4. Vääntöjen tasapaino
5. Avaa data
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Vääntömomentti ja vipulaki