Dinamika rotasi adalah salah satu cabang penting fisika. Ini menjelaskan alasan pergerakan benda dalam lingkaran di sekitar sumbu tertentu. Salah satu besaran penting dari dinamika rotasi adalah momen gaya, atau torsi. Apa itu momen kekuatan? Mari kita telusuri konsep ini dalam artikel ini.
Apa yang harus kamu ketahui tentang rotasi benda?
Sebelum menjawab pertanyaan apa itu momen gaya, mari kita gambarkan proses rotasi dari sudut pandang geometri fisis.
Setiap orang secara intuitif membayangkan apa yang dipertaruhkan. Rotasi menyiratkan gerakan seperti itu dari sebuah benda di ruang angkasa, ketika semua titiknya bergerak di sepanjang jalur melingkar di sekitar beberapa sumbu atau titik.
Tidak seperti gerakan linier, proses rotasi dijelaskan oleh karakteristik fisik sudut. Diantaranya adalah sudut rotasi, kecepatan sudut dan percepatan sudut. Nilai diukur dalam radian (rad), - dalam rad/s, - dalam rad/s2.
Contoh rotasi adalah pergerakan planet kita mengelilingi bintangnya,memutar rotor mesin, pergerakan bianglala dan lain-lain.
Konsep torsi
Momen gaya adalah kuantitas fisik yang sama dengan produk vektor dari vektor jari-jari r¯, diarahkan dari sumbu rotasi ke titik penerapan gaya F¯, dan vektor gaya ini. Secara matematis, ini ditulis seperti ini:
M¯=[r¯F¯].
Seperti yang Anda lihat, momen gaya adalah besaran vektor. Arahnya ditentukan oleh aturan gimlet atau tangan kanan. Nilai M¯ diarahkan tegak lurus terhadap bidang rotasi.
Dalam praktiknya, sering kali diperlukan untuk menghitung nilai mutlak momen M¯. Untuk melakukannya, gunakan ekspresi berikut:
M=rFsin(φ).
Di mana adalah sudut antara vektor r¯ dan F¯. Hasil kali modulus vektor jari-jari r dan sinus sudut bertanda disebut bahu gaya d. Yang terakhir adalah jarak antara vektor F¯ dan sumbu rotasi. Rumus di atas dapat ditulis ulang sebagai:
M=dF, di mana d=rsin(φ).
Momen gaya diukur dalam newton per meter (Nm). Namun, Anda tidak boleh menggunakan joule (1 Nm=1 J) karena M¯ bukan skalar, tetapi vektor.
Makna fisik dari M¯
Makna fisik momen gaya paling mudah dipahami dengan contoh berikut:
- Kami mengusulkan untuk melakukan eksperimen berikut: coba buka pintu,mendorongnya ke dekat engsel. Untuk melakukan operasi ini dengan sukses, Anda harus menerapkan banyak kekuatan. Pada saat yang sama, pegangan pintu apa pun terbuka dengan mudah. Perbedaan antara kedua kasus yang dijelaskan adalah panjang lengan gaya (pada kasus pertama sangat kecil, sehingga momen yang dibuat juga akan kecil dan membutuhkan gaya yang besar).
- Eksperimen lain yang menunjukkan arti torsi adalah sebagai berikut: ambil kursi dan coba pegang dengan tangan terentang ke depan dengan beban. Hal ini cukup sulit untuk dilakukan. Pada saat yang sama, jika Anda menekan tangan Anda dengan kursi ke tubuh Anda, maka tugas itu tidak akan lagi terasa berat.
- Semua orang yang terlibat dalam teknologi tahu bahwa melepaskan mur dengan kunci pas jauh lebih mudah daripada melakukannya dengan jari.
Semua contoh ini menunjukkan satu hal: momen gaya mencerminkan kemampuan yang terakhir untuk memutar sistem di sekitar porosnya. Semakin besar torsi, semakin besar kemungkinannya membuat sistem berbelok dan memberikan percepatan sudut.
Torsi dan keseimbangan tubuh
Statika - bagian yang mempelajari penyebab keseimbangan benda. Jika sistem yang ditinjau memiliki satu atau lebih sumbu rotasi, maka sistem ini berpotensi melakukan gerak melingkar. Untuk mencegah hal ini terjadi dan sistem dalam keadaan diam, jumlah semua n momen gaya luar relatif terhadap sembarang sumbu harus sama dengan nol, yaitu:
∑i=1Mi=0.
Saat menggunakan inikondisi keseimbangan benda selama penyelesaian masalah praktis, harus diingat bahwa gaya apa pun yang cenderung memutar sistem berlawanan arah jarum jam menciptakan torsi positif, dan sebaliknya.
Jelas, jika gaya diterapkan pada sumbu rotasi, maka itu tidak akan menciptakan momen apa pun (bahu d sama dengan nol). Oleh karena itu, gaya reaksi penyangga tidak pernah menciptakan momen gaya jika dihitung relatif terhadap penyangga ini.
Contoh soal
Setelah mengetahui cara menentukan momen gaya, kita akan memecahkan masalah fisik yang menarik berikut ini: misalkan ada sebuah meja di atas dua penyangga. Panjang meja 1,5 meter dan berat 30 kg. Sebuah beban 5 kg diletakkan pada jarak 1/3 dari tepi kanan meja. Penting untuk menghitung gaya reaksi yang akan bekerja pada setiap tumpuan meja dengan beban.
Perhitungan masalah harus dilakukan dalam dua tahap. Pertama, pertimbangkan meja tanpa beban. Tiga gaya bekerja padanya: dua reaksi pendukung yang identik dan berat badan. Karena mejanya simetris, reaksi-reaksi penopangnya sama satu sama lain dan bersama-sama menyeimbangkan beratnya. Nilai setiap reaksi pendukung adalah:
N0=P / 2=mg / 2=309, 81 / 2=147, 15 N.
Begitu beban diletakkan di atas meja, nilai reaksi penyangga berubah. Untuk menghitungnya, kami menggunakan kesetimbangan momen. Pertama, pertimbangkan momen gaya yang bekerja relatif terhadap tumpuan kiri meja. Ada dua momen ini: reaksi tambahan dari penyangga yang tepat tanpa memperhitungkan berat meja dan berat beban itu sendiri. Karena sistem dalam keadaan setimbang,dapatkan:
ΔN1 l - m1 g2 / 3l=0.
Di sini l adalah panjang meja, m1 adalah berat beban. Dari ekspresi kita mendapatkan:
ΔN1=m1 g2 / 3=2 / 39, 815=32, 7 N.
Dengan cara yang sama, kami menghitung reaksi tambahan untuk dukungan kiri tabel. Kami mendapatkan:
-ΔN2 l + m1 g1/3l=0;
ΔN2=m1 g1 / 3=1/359, 81=16, 35 N.
Untuk menghitung reaksi tumpuan tabel dengan beban, Anda memerlukan nilai ΔN1 dan N2add to N0, kita peroleh:
dukungan kanan: N1=N0+ N1=147, 15 + 32, 7=179, 85 N;
dukungan kiri: N2=N0 + N2=147, 15 + 16, 35=163, 50 N.
Dengan demikian, beban pada kaki kanan meja akan lebih besar dari pada kaki kiri.
