杠杆：平衡力矩
1·预测
杠杆固定在其正中心，在两端施加向下的推力，距枢轴的距离相同。如果一侧的推力比另一侧用力，杠杆是否会向较强的推力倾斜、向较弱的推力倾斜，还是无论如何都保持平衡？
- 它倾向于更强的推动力
- 无论外力如何，它都能保持平衡
- 它向较弱的推力倾斜
2·设置
- 打开控制杆预设。刚性梁固定在其中心；在距每端枢轴 2 m 处施加 50 N 的向下力。
- 单击梁上的左力箭头并在检查器中记下其强度，然后单击右力箭头并执行相同操作。
- 对于下面的每一行，在检查器中设置左右力强度以匹配，运行模拟，选择梁，并从数学面板中读取 τ = r × F 力矩值。
3·收集数据
| 左力 (N) | 右力 (N) | 净力矩（来自模拟） (N·m) | τ = r × F（计算得出） (N·m) |
|---|---|---|---|
| 50.00 | 50.00 | ||
| 50.00 | 80.00 | ||
| 70.00 | 40.00 |
绘制力差（右侧力 − 左侧力，x轴）相对你测得净力矩（y轴）的关系图。斜率代表什么？直线在何处与零线相交？
4·分析
- 对于每一行，手动计算 2 m ×（右力 - 左力）。将其与您从模拟模块的数学面板中读取的净力矩进行比较。他们匹配吗？
- 在第一行中，两个力相等并且杠杆保持水平。这告诉您什么力和臂长必须如何关联才能使任何杠杆保持平衡？
5·扩展
- 真正的杠杆——就像有两个不同体重的骑手的跷跷板——通常需要不等的臂长，而不是不等的力来平衡。如果右侧的力保持在 50 N，但距枢轴的距离加倍到 4 m，则左臂（仍为 2 m）需要多大的力才能平衡它？
- 扳手、开瓶器和剪刀都是杠杆。选择一个并确定其枢轴、所施加的力以及所移动的负载，然后解释为什么较长的手柄使其更易于使用。
这个实验背后的物理原理
力矩
力矩是力绕枢轴的转动效应：τ = r × F，其中 r 是从枢轴到力作用处的距离。当两侧的力矩抵消时，杠杆就达到平衡——等距离处的力相等，或者距离成反比处的力不相等。