Đòn bẩy không đều: Lợi thế cơ học
1 · Dự đoán
Điểm tựa của đòn bẩy này nằm chính giữa, giống như đòn bẩy cổ điển — nhưng lực bên phải chỉ cách điểm tựa 1 m trong khi lực bên trái cách 2 m. Nếu lực đẩy 50 N ở khoảng cách 2 m được cân bằng bởi một lực đẩy ở khoảng cách 1 m, thì lực đó lớn hơn, bằng hay nhỏ hơn 50 N?
- Lớn hơn 50 N
- Bằng 50 N
- Nhỏ hơn 50 N
2 · Thiết lập
- Mở preset Đòn bẩy không đều. Một thanh cứng được ghim chính xác tại tâm, giống như đòn bẩy cổ điển — nhưng hai lực hướng xuống được tác dụng ở khoảng cách khác nhau: 2 m bên trái, 1 m bên phải. Lực 50 N hướng xuống đẩy tại vị trí 2 m.
- Nhấp vào mũi tên lực bên trái trên thanh và ghi lại độ lớn trong Trình kiểm tra, rồi nhấp vào mũi tên lực bên phải và làm tương tự. Chú ý hai cánh tay đòn có độ dài khác nhau.
- Với mỗi hàng bên dưới, đặt độ lớn của lực trái và phải trong Trình kiểm tra cho khớp, chạy mô phỏng, chọn thanh và đọc giá trị mô-men xoắn τ = r × F từ bảng Toán học.
3 · Thu thập dữ liệu
| Lực trái (N) | Lực phải (N) | Mô-men xoắn ròng (từ sim) (N·m) | τ = r × F (được tính) (N·m) |
|---|---|---|---|
| 50.00 | 100.00 | ||
| 50.00 | 50.00 | ||
| 20.00 | 100.00 |
Vẽ biểu đồ chênh lệch lực (Lực phải − Lực trái) trên trục x so với mô-men xoắn thực bạn đo được trên trục y — nhớ rằng các cánh tay đòn không bằng nhau, nên mô-men xoắn là 1 m × Lực phải − 2 m × Lực trái. Độ dốc thể hiện điều gì và đường thẳng giao với số 0 ở đâu?
4 · Phân tích
- Với mỗi hàng, tính bằng tay 1 m × Lực phải − 2 m × Lực trái. So sánh với mô-men xoắn thực bạn đọc được từ bảng Toán học của mô phỏng. Chúng có khớp không?
- Ở hàng 1, lực đẩy 50 N lên cánh tay 2 m cân bằng lực đẩy 100 N lên cánh tay 1 m — lực khác nhau, mô-men xoắn bằng nhau. Điều gì phải đúng giữa một lực và khoảng cách của nó tới điểm tựa để đòn bẩy cân bằng?
5 · Gia hạn
- Xe cút kít cũng là một đòn bẩy: tay bạn nâng tay cầm cách bánh xe (điểm tựa) khoảng 2 m trong khi tải trọng nằm gần bánh xe. Nếu tải nặng 200 N và nằm cách bánh xe 0,5 m, bạn phải tác dụng lực hướng lên bao nhiêu vào tay cầm để cân bằng nó? Cần bao nhiêu nếu tải nằm ở mép khay?
- Búa đinh nhổ đinh, xà beng và kẹp hạt dẻ đều là đòn bẩy có cánh tay đòn không bằng nhau. Chọn một cái và xác định điểm tựa, lực tác dụng và tải trọng nó di chuyển — sau đó giải thích vì sao cánh tay ngắn lại nằm về phía tải trọng.
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Mô-men xoắn
Mô-men xoắn là tác dụng quay của một lực quanh một trục quay: τ = r × F, trong đó r là khoảng cách từ trục quay đến nơi lực tác dụng. Với các cánh tay đòn không bằng nhau, mô-men xoắn bằng nhau cần các lực không bằng nhau — lực 50 N cách điểm tựa 2 m cân bằng lực 100 N cách 1 m, vì cả hai đều tạo ra 100 N·m.