레버: 균형 토크
1 · 예측
레버는 정확한 중앙에 고정되어 있으며 피벗에서 동일한 거리에 있는 각 끝 부분에 하향 푸시가 적용됩니다. 한쪽이 다른 쪽보다 더 세게 밀면 레버가 더 강하게 밀거나 약한 쪽으로 기울어지거나, 무슨 일이 있어도 균형을 유지하게 됩니까?
- 더 강한 추진력을 향해 기울어진다
- 힘에 관계없이 균형을 유지합니다.
- 약한 푸시 방향으로 기울어집니다.
2 · 설정
- 레버 사전 설정을 엽니다. 견고한 빔이 중앙에 고정되어 있습니다. 50N 하향 힘이 각 끝의 피벗에서 2m 떨어진 곳에 적용됩니다.
- 빔의 왼쪽 힘 화살표를 클릭하고 Inspector에서 강도를 확인한 다음 오른쪽 힘 화살표를 클릭하고 동일한 작업을 수행합니다.
- 아래의 각 행에 대해 Inspector에서 왼쪽 및 오른쪽 힘 강도를 일치하도록 설정하고, 시뮬레이션을 실행하고, 빔을 선택하고, Math 패널에서 τ = r × F 토크 값을 읽습니다.
3 · 데이터 수집
| 좌파 (N) | 라이트 포스 (N) | 순 토크(sim에서) (N·m) | τ = r × F(계산됨) (N·m) |
|---|---|---|---|
| 50.00 | 50.00 | ||
| 50.00 | 80.00 | ||
| 70.00 | 40.00 |
y-axis에서 측정한 순 토크에 대해 x-axis의 힘 차이(오른쪽 힘 - 왼쪽 힘)를 플롯합니다. 기울기는 무엇을 나타내며 선이 0과 교차하는 곳은 어디입니까?
4 · 분석
- 각 행에 대해 2m × (오른쪽 힘 - 왼쪽 힘)을 직접 계산합니다. 이를 시뮬레이션의 수학 패널에서 읽은 순 토크와 비교하십시오. 일치합니까?
- 1열에서는 두 힘이 동일하고 레버가 수평을 유지합니다. 이는 레버가 균형을 이루기 위해 힘과 팔 길이가 어떻게 관련되어야 하는지에 대해 무엇을 말해주는가?
5 · 확장
- 무게가 다른 두 명의 라이더가 있는 시소와 같은 실제 레버는 균형을 유지하기 위해 종종 불평등한 힘이 아닌 불평등한 팔 길이가 필요합니다. 오른쪽의 힘이 50N으로 유지되었지만 피벗으로부터의 거리가 4m로 두 배로 늘어났다면 균형을 유지하기 위해 왼쪽 팔(여전히 2m)에 어떤 힘이 필요합니까?
- 렌치, 병따개, 가위는 모두 지렛대입니다. 하나를 선택하고 피벗, 가해지는 힘, 이동하는 하중을 확인한 다음 핸들이 길수록 사용하기 쉬운 이유를 설명합니다.
이 실험의 물리학
토크
토크는 피벗에 대한 힘의 회전 효과입니다. τ = r × F, 여기서 r은 피벗에서 힘이 작용하는 지점까지의 거리입니다. 레버는 양쪽의 토크가 상쇄될 때 균형을 유지합니다. 즉, 동일한 거리에서 동일한 힘이 작용하거나 반비례 거리에서 동일하지 않은 힘이 작용합니다.