Момент силы

Момент силы зависит от длины плеча. Для многих подобная фраза — просто сухой набор фактов. На самом деле, если разобраться, за терминами «длина плеча», «момент силы» прячутся удобные и вполне понятные физические концепции. На данном уроке мы приподнимем над всем этим завесу тайны, а также откроем для себя условие равновесия и правило моментов. Нюансы а-ля в чем там измеряется момент силы и формула момента силы прилагаются!

Момент силы: вновь Архимед и его рычаг

Поговаривают, что древнейшим открытием и в какой-то степени самым первым научным достижением человека можно смело называть рычаг. Удивительно, но наши предки на уровне интуиции понимали, что увесистый камень намного проще поднять или передвинуть с помощью самой обычной палки. При этом удивляет больше не наличие палки во всей этой истории, а осознание первобытным человеком принципа простых механизмов. Ведь палки первые разумные жители планеты специально искали подлиннее. Они понимали: чем длиннее, тем будет проще совершить работу.

«Катить проще, чем тянуть» — еще одно древнейшее «научное» открытие примитивного человека наряду с рычагом.

Принцип рычага передавался из уст в уста, от одного племени к другому, от одного поколения к следующему. Мы не знали, почему это работает. У нас не было формул, не было определений. Был лишь рычаг в самых его разных формах проявления и четкое знание — возьмись подальше от точки опоры, если тяжело.

И лишь в третьем веке до нашей эры Архимед впервые произвел необходимые математические расчеты. Он наконец описал теорию рычага, которой мы пользуемся и по сей день. Он первым связал друг с другом понятия груза, плеча и силы. Как гласит легенда, осознав масштабы своего открытия, воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»

Благодаря опытам Архимеда, его фундаментальному пониманию закона равновесия рычага, впоследствии возникла крайне важная физическая величина — момент силы. 

Закон равновесия: опыт с грузами

Определить момент силы можно разными способами. Мы воспользуемся самым простым. Нам достаточно вспомнить условие равновесия рычага и провести несложный опыт с подвешенными грузами. 

Во-первых, возьмем небольшую деревянную балку. К ее верхнему концу прикрепим болтом мерную линейку таким образом, чтобы крепление располагалось в центре тяжести линейки (рисунок 1). Далее к линейке прикрепим по сантиметровым делениям два крючка, за которые будем подвешивать грузики разной массы. Начнем с отметок $10 \space см$ и $20 \space см$ — по пять влево и вправо от центра тяжести в $15 \space см$. 

Возьмем грузик массой $20 \space г$ и подвесим его за крючок (рисунок 2). Очевидно, что рычаг в результате не окажется в положении равновесия. 

Теперь с другой стороны от центра тяжести подвесим грузик массой $40 \space г$ (рисунок 3). Очевидно, что рычаг снова не окажется в положении равновесия: с левой стороны на плечо рычага действует бó‎льшая сила $mg$. 

Приводим рычаг в равновесие

Интуитивно мы понимаем, что дабы соблюсти условие равновесия данной системы, один из грузиков нужно куда-то сместить. Мы так же интуитивно понимаем, что если смещать грузик массой $40 \space г$, его нужно подвесить за крючок, располагающийся ближе к точке опоры. Смещать грузик массой $20 \space г$ нужно в другую сторону — подальше от точки опоры.

Вопрос на миллион: если, скажем, мы хотим перевесить двадцатиграммовый грузик, на сколько делений должно увеличиться плечо груза?

Используем стандартный метод проб и ошибок. Перевешивая крючок с грузиком по разным отметкам на линейке, мы обнаружим, что рычаг придет в положение равновесия, если двадцатиграммовый грузик подвесить на расстоянии десяти сантиметров от точки опоры — на отметке $25 \space см$ (рисунок 4). Обратите внимание на то, как пропорциональны получаемые величины: грузики массой $40 \space г$ и $20 \space г$ уравновешивают друг друга на плечах длиной $5 \space см$ и $10 \space см$ соответственно. 

Условие равновесия

Именно таким образом Архимедом было сформулировано условие равновесия рычага. Можно долго перевешивать грузики, пользоваться различными массами, рычагами короткими, рычагами длинными, но одна вещь всегда будет объединять все элементы и переменные:

Рычаг находится в положении равновесия при условии, что отношение масс, подвешенных грузов, будет обратно пропорционально отношению расстояний от точки опоры до центров тяжести грузов:
$\frac{m_1}{m_2}=\frac{l_2}{l_1}$.

Если от масс перейти к силам, формулу можно улучшить до следующего вида:
$\frac{m_1g}{m_2g} = \frac{l_2}{l_1}$.

Лучше, но все равно не то. Где гарантии, что на наш абстрактный грузик будет действовать только сила тяжести? Ведь на грузик можно и надавить. Так что улучшим пропорцию еще раз и придем к окончательному математическому выражению под условие равновесия:
$\frac{F_1}{F_2} = \frac{l_2}{l_1}$,
где $F_1$ и $F_2$ — силы, действующие на рычаг, $l_1$ и $l_2$ — плечи сил.

Таким образом: 

Рычаг находится в положении равновесия, когда отношение сил, действующих на рычаг, обратно пропорционально отношению плеч этих сил.  

А теперь заметим, что согласно основному свойству пропорции из формулы выше получается следующее равенство:
$F_1\cdot l_1 = F_2\cdot l_2$.

Ранее мы с подобным не сталкивались — с произведением силы на плечо силы. Именно это произведение и называется в физике момент силы.

Определение момента силы

Момент силы — физическая величина, характеризующая действие силы. Равняется произведению модуля силы на ее плечо.

Формула момента силы соответственно следующая:

$M = F \cdot l$,

где $F$ — модуль силы, $l$ — длина плеча.

Обратите внимание на то, как выглядит формула момента силы: в физике момент силы обозначается заглавной латинской литерой $M$ и измеряется в $Н \cdot м$ — в ньютонах на метр. Характеризует момент силы, как мы указали в определении, действие силы.

Так-так, в чем измеряется момент силы?

Еще раз, формула момента силы включает в себя произведение модуля силы на длину плеча. Сила $F$ измеряется в ньютонах. Длина плеча, как и любая другая длина, согласно СИ измеряется в метрах. Ну и в чем же тогда измеряется момент силы? В ньютонах на метр ($H\cdot м$), разумеется.

И как понять, что характеризует момент силы?

Возьмем гаечный ключ. Ухватимся рукой за его конец и приложим некоторое усилие, чтобы провернуть гайку. После перехватим гаечный ключ примерно до середины ручки и также попробуем приложить некоторое усилие. Во втором случае провернуть гайку будет сложнее, чем если бы мы держались за конец ручки инструмента.

Причина? Образуются разные величины момента силы! Помните, как мы говорили о механическом выигрыше на прошлом уроке? При нем образуется бóльший момент силы.

Иными словами, момент силы — это и есть в своем роде величина усилия. Чем больше момент, тем быстрее двигается предмет, тем проще он проворачивается, тем легче выполняется действие. Формула момента силы наглядно это демонстрирует.

Как рассчитать момент силы

Момент силы всегда рассчитывается как произведение модуля силы на плечо силы:
$M = F \cdot l$.

Иногда определять приходится результирующий момент — когда на тело действует несколько разнонаправленных сил. Однако подобные «превратности» нам встретятся в программе лишь через пару лет.

Момент силы трапеции

Для примера возьмем нечто отвлеченное от привычных нам двуплечих рычагов — ясно, что внутри подобной механической системы плечо силы чаще всего будет совпадать с плечом рычага, так что сложности как таковой с расчетом плеча силы не возникнет. Представим вместо этого, что мы раскручиваем прикрепленную к поверхности фигуру в форме трапеции. Ого!.. 

Итак, наша вращающаяся трапеция. Силу мы прикладываем к концу фигуры — направление силы указано на изображении (рисунок 6). Согласитесь, увидеть плечо силы для подобной схемы движения уже не так просто, особенно когда глаз привык к рычагам.

Не паникуем и вспоминаем, что плечо силы есть перпендикуляр к линии действия силы, опущенный из точки опоры или, вернее сказать, из оси вращения (рисунок 7).

Плечо силы будет равно длине отрезка $OA$. Ось вращения трапеции находится в точке $О$. Все гениальное просто, согласны?

Знак момента силы

Еще один немаловажный момент при расчете момента силы — знак величины. Момент может быть отрицательным или положительным. Это зависит от того, в каком направлении действует сила, приложенная к телу. Если она вращает тело по часовой стрелке, то момент силы считается положительным. Если наоборот — против часовой стрелки, то момент считается отрицательным. 

Может ли момент быть нулевым? Конечно, почему нет. Логично предположить, что в случае, если плечо силы равно нулю, то сила не создает никакого момента. Например, если вы надавите на ось вращения, сдвинуть при таком приложении силы что-либо невозможно.

Задача на моменты

Образавр предлагает решить задачу самостоятельно!

На земле лежит палка массой $20 \space кг$ и длиной $4 \space м$. Палку приподнимают за конец, прикладывая усилие в $120 \space Н$. Какие моменты при этом создают силы, действующие на доску? Моменты силы тяжести в поднятом положении палки и в вертикальном положении к земле равны.

Дано:
$m = 20 \space кг$
$d = 4 \space м$
$F = 120 \space Н$

$M — ?$

Решение задачи на моменты

Показать решение и ответ

Скрыть

Правило моментов

Остается последнее — разобраться, зачем нужно отрицательное значение момента силы.

Ранее мы говорили о том, что условие равновесия рычага — обратная пропорциональность отношений сил к плечам этих сил. Однако условие равновесия можно задать и через смежное понятие момента силы. В некоторых случаях даже удобнее для вычислений. 

Вернемся к нашей вращающейся трапеции. Представим, что вы стоите и прикладываете к одному концу трапеции силу $\vec{F}_1$. Ваш друг берется за другой конец трапеции и тянет фигурку в противоположную сторону c силой $\vec{F}_2$. Вы в одну сторону, он в другую. При этом трапеция вращаться никуда не хочет. Она упрямо находится в положении равновесия. Но, казалось бы, моменты сил создаются. Где движение?

Правило моментов — формула

Дело в том, что один момент силы, условно говоря, «гасит» другой. Математически вычитается. Как только создаваемый вами момент силы превысит тот, что создается вашим другом, фигурка начнет движение по часовой стрелке, к вам. Если друг поднажмет, то трапеция пойдет против часовой стрелки, от вас.

Таким образом, мы можем складывать все моменты, действующие на тело, чтобы понимать, движется ли тело, и если да, то в какую сторону. Знак числа — удобный математический инструмент, позволяющий работать с направлениями. Если сумма всех моментов положительна, вращательное движение идет по часовой стрелке. Если отрицательна — против часовой.

А если сумма моментов равна нулю?

Логично, что тогда тело находится в положении равновесия. Оно не двигается. Вот как мы можем получить условие равновесия (неважно — рычага или другого тела), выраженное через момент силы.

Подобное равенство называется правило моментов.

Тело находится в состоянии покоя, если алгебраическая сумма всех моментов сил, приложенных к телу, равняется нулю:
$\sum_i M_i= M_1+M_2+…+M_i =0$. 

{"questions":[{"content":"Момент силы рассчитывается по формуле[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$M = \\frac{F}{l}$","$M = Fl$","$M = \\frac{F_1l_1}{F_2l_2}$","$M = Al$"],"answer":[1]}},"hints":[]}]}