不等臂槓桿：省力原理
1·預測
這個槓桿的支點居中，與經典槓桿相同——但右側的力僅距支點 1 公尺，而左側的力距支點 2 公尺。如果 2 公尺處的 50 N 推力被 1 公尺處的推力平衡，那麼這個力是大於、等於還是小於 50 N？
- 大於 50 N
- 等於 50 N
- 小於 50 N
2·設定
- 開啟不等臂槓桿預置。剛性橫樑精確固定在中心，與經典槓桿相同——但兩個向下力施加在距離不同的位置：左 2 公尺，右 1 公尺。一個 50 N 的向下力作用在 2 公尺標記處。
- 點擊橫樑上的左力箭頭，在檢查器中記下其大小，然後點擊右力箭頭，進行相同操作。注意兩條力臂的長度不同。
- 對於下面的每一行，在檢查器中設定左右力的大小以匹配，執行模擬，選擇橫樑，並從數學面板中讀取 τ = r × F 力矩值。
3·收集數據
| 左力 (N) | 右力 (N) | 淨力矩（來自模擬） (N·m) | τ = r × F（計算得出） (N·m) |
|---|---|---|---|
| 50.00 | 100.00 | ||
| 50.00 | 50.00 | ||
| 20.00 | 100.00 |
繪製力差（右力 − 左力，x軸）相對你測得淨力矩（y軸）的關係圖——注意力臂不等，因此力矩為 1 公尺 × 右力 − 2 公尺 × 左力。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 1 公尺 × 右力 − 2 公尺 × 左力。將其與模擬的數學面板中讀出的淨力矩進行比較。它們匹配嗎？
- 在第 1 行，2 公尺力臂上 50 N 的推力平衡了 1 公尺力臂上 100 N 的推力——力不同，力矩相等。要使槓桿平衡，力與其到支點的距離之間應滿足什麼關係？
5·擴展
- 獨輪車也是槓桿：你的手臂在距輪子（支點）約 2 公尺處抬起把手，而負載靠近輪子。如果負載重 200 N，距輪子 0.5 公尺，要在把手處施加多大的向上力才能平衡它？如果負載位於料斗最末端，又需要多大的力？
- 拔釘子的羊角錘、撬棍和核桃夾都是力臂不等的槓桿。選擇一個，確定其支點、施加的力和移動的負載，然後解釋為什麼短力臂在負載一側。
這個實驗背後的物理原理
扭矩
扭矩是力繞支點的轉動效應：τ = r × F，其中 r 是支點到力作用處的距離。力臂不等時，相等的扭矩需要不相等的力——距支點 2 公尺的 50 N 力與距支點 1 公尺的 100 N 力平衡，因為兩者都產生 100 牛頓·公尺。