槓桿：平衡扭矩
1·預測
槓桿固定在其正中心，在兩端施加向下的推力，距樞軸的距離相同。如果一邊的推力比另一邊用力，槓桿是否會向較強的推力傾斜、向較弱的推力傾斜，還是無論如何都保持平衡？
- 它傾向於更強的推動力
- 無論外力如何，它都能保持平衡
- 它向較弱的推力傾斜
2·設定
- 打開控制桿預設。剛性梁固定在其中心；在每端樞軸 2 m 施加 50 N 的向下力。
- 按一下樑上的左力箭頭並在檢查器中記下其強度，然後按一下右力箭頭並執行相同操作。
- 對於下面的每一行，在檢查器中設置左右力強度以匹配，運行模擬，選擇梁，並從數學面板中讀取 τ = r × F 扭矩值。
3·收集數據
| 左力 (N) | 右力 (N) | 淨扭矩（來自 sim） (N·m) | τ = r × F（計算得出） (N·m) |
|---|---|---|---|
| 50.00 | 50.00 | ||
| 50.00 | 80.00 | ||
| 70.00 | 40.00 |
繪製力差（右側力 − 左側力，x軸）相對你測得淨力矩（Y軸）的關係圖。斜率代表什麼？直線在何處與零線相交？
4·分析
- 對於每一行，手動計算 2 m ×（右力 - 左力）。將其與您從模擬模組的數學面板中讀取的淨扭矩進行比較。他們匹配嗎？
- 在第一行中，兩個力相等且槓桿保持水平。這告訴您什麼力量和臂長必須如何關聯才能使任何槓桿保持平衡？
5·擴展
- 真正的槓桿——就像有兩個不同體重的騎手的蹺蹺板——通常需要不等的臂長，而不是不等的力來平衡。如果右側的力保持在 50 N，但與樞軸的距離加倍到 4 m，則左臂（仍為 2 m）需要多大的力來平衡它？
- 扳手、開瓶器和剪刀都是槓桿。選擇一個並確定其樞軸、施加的力以及所移動的負載，然後解釋為什麼較長的手柄使其更易於使用。
這個實驗背後的物理原理
扭力
扭矩是力繞樞軸的轉動效應：τ = r × F，其中 r 是樞軸到力作用處的距離。當兩側的扭矩抵消時，槓桿就達到平衡——等距離處的力相等，或距離成反比處的力不相等。