กลศาสตร์

คานไม่สมดุล

แรงกด 50 N บนแขนยาว 2 ม. สร้างสมดุลกับแรงกด 100 N บนแขนยาว 1 ม. — ทอร์กเท่ากัน (τ = r × F) จากแรงที่ไม่เท่ากัน ลองเปลี่ยนแรงหนึ่งในแผงคุณสมบัติเพื่อดูการเอียง

คานไม่สมดุล — การจำลองกลศาสตร์แบบโต้ตอบ แรงกด 50 N บนแขนยาว 2 ม. สร้างสมดุลกับแรงกด 100 N บนแขนยาว 1 ม. — ทอร์กเท่ากัน (τ = r × F) จากแรงที่ไม่เท่ากัน ลองเปลี่ยนแรงหนึ่งในแผงคุณสมบัติเพื่อดูการเอียง ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์เสมือนบนเบราว์เซอร์ที่ใช้ฟรี พร้อมการวัด SI แบบสดและบทแนะนำ

ทอร์กและคาน

คานสมดุลเมื่อทอร์กทั้งสองข้างของจุดหมุนเท่ากัน — แรงบนแขนสั้นต้องใหญ่กว่าเพื่อให้ตรงกับแขนยาว

ทอร์ก τ = r × F ขึ้นอยู่กับทั้งแรงและแขนคาน เมื่อจุดหมุนอยู่ตรงกลาง แรง 50 N ที่ระยะ 2 m จากจุดหมุนจะสมดุลกับแรง 100 N ที่ระยะ 1 m จากจุดหมุน: 50 × 2 = 100 × 1

• τ = rF sin θ
• ที่สมดุล Στ = 0

สรุปการสืบสวน

วางแผนคำถามก่อนเปิดห้องแล็บ

บทสรุปสะท้อนหน้าที่เรนเดอร์ล่วงหน้า คำถามขับเคลื่อน คำทำนายที่ขัดแย้งกัน บทบาทตัวแปร กฎที่ควบคุม การตั้งค่า การวิเคราะห์ และโจทย์ต่อยอดยังแสดงและเรียงตามลำดับนี้

คำถามขับเคลื่อน

จุดหมุนของคานนี้อยู่กึ่งกลางเหมือนคานคลาสสิก — แต่แรงขวาถูกป้อนเพียง 1 m จากจุดหมุนขณะที่แรงซ้ายอยู่ 2 m ถ้าแรงดัน 50 N ที่ระยะ 2 m ทวนแรงดันที่ระยะ 1 m แรงนั้นใหญ่กว่า เท่ากัน หรือเล็กกว่า 50 N

คำทำนายที่ต้องชั่งใจ

• มันใหญ่กว่า 50 N
• มันเท่ากัน — 50 N
• มันเล็กกว่า 50 N

บทบาทของตัวแปร

สิ่งที่คุณตั้ง:

• แรงซ้าย (N)
• แรงขวา (N)

สิ่งที่คุณวัด:

• ทอร์กสุทธิ (จากแบบจำลอง) (N·m)
• τ = r × F (คำนวณแล้ว) (N·m)

การสืบสวนดำเนินไปอย่างไร

1. เปิดค่าที่ตั้งไว้ Unequal Lever คานแข็งหมุนไว้กึ่งกลางพอดีเหมือนคานคลาสสิก — แต่แรงกดลงสองแรงอยู่คนละระยะ ซ้าย 2 m ขวา 1 m แรงกดลง 50 N กดที่ขีด 2 m
2. คลิกลูกศรแรงซ้ายบนคานแล้วจดค่าในแผงคุณสมบัติ แล้วคลิกลูกศรแรงขวาเช่นกัน สังเกตว่าสองแขนยาวไม่เท่ากัน
3. สำหรับแต่ละแถวด้านล่าง ตั้งค่าแรงฝั่งซ้ายและขวาในแผง Properties ให้ตรงตามแถว รันการจำลอง เลือกคาน แล้วอ่านค่าทอร์ก τ = r × F จากแผง Math

สมการควบคุม

ทอร์ก — τ = r × F

ทอร์กคือผลของการหมุนของแรงรอบจุดหมุน: τ = r × F โดย r คือระยะจากจุดหมุนถึงจุดที่แรงกระทำ เมื่อแขนคานไม่เท่ากัน ทอร์กเท่ากันต้องใช้แรงไม่เท่ากัน แรง 50 N ที่ระยะ 2 m จากจุดหมุน สมดุลกับแรง 100 N ที่ระยะ 1 m เพราะทั้งคู่ให้ทอร์ก 100 N·m

สิ่งที่ใบงานพิมพ์ได้ให้นักเรียนคิด

• สำหรับแต่ละแถว คำนวณ 1 m × แรงขวา − 2 m × แรงซ้าย ด้วยมือ เทียบกับทอร์กสุทธิจากแผงคณิตศาสตร์ของแบบจำลอง ตรงกันหรือไม่
• แถว 1 แรงดัน 50 N ที่แขน 2 m ทวนแรงดัน 100 N ที่แขน 1 m — แรงต่างกัน ทอร์กเท่ากัน อะไรต้องเป็นจริงระหว่างแรงกับระยะจากจุดหมุนเพื่อให้คานสมดุล

สิ่งนี้ปรากฏที่ใดนอกห้องแล็บ

• รถเข็นก็เป็นคาน แขนคุณยกด้ามจับห่างจากล้อ (จุดหมุน) ราว 2 m ขณะที่ภาระอยู่ใกล้ล้อ ถ้าภาระหนัก 200 N อยู่ 0.5 m จากล้อ ต้องออกแรงยกขึ้นเท่าใดที่ด้ามจับเพื่อสมดุล และถ้าภาระอยู่ปลายถาดพอดีต้องใช้เท่าใด
• ค้อนถอนตะปู คานงัด และที่หนีบก็เป็นคานแขนไม่เท่ากันทั้งหมด เลือกหนึ่งอย่างแล้วระบุจุดหมุน แรงป้อน และภาระที่ขยับ — แล้วอธิบายว่าเหตุใดแขนสั้นจึงเป็นฝั่งภาระ

• 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. ยินดีต้อนรับสู่ คานไม่สมดุล
2. เลือกคาน
3. กดเล่น
4. แขนไม่เท่ากัน ทอร์กเท่ากัน
5. เปิดดูข้อมูล
6. คุณทำได้แล้ว!

เปิดการจำลองแบบโต้ตอบเพื่อสร้างฉาก กดเล่น แล้วสำรวจพร้อมการวัดสดและบทแนะนำ

เปิดห้องแล็บโต้ตอบ →

ดาวน์โหลดใบงาน →

ทอร์กกับกฎคาน