اهرم‌ها و قانون گشتاور

تصور کنید 2 کودک می خواهند الاکلنگ بازی کنند اما جرم های یکسانی ندارند، بزرگسالان بطور تجربی کودک سبک تر را در انتهای الاکلنگ قرار داده و کودک سنگین را کمی جلوتر (نزدیک به محور چرخش) می آورند، اما چرا؟ چه قانون فیزیکی پشت این مسئله وجود دارد؟

بیایید مسئله را ساده تر بررسی کنیم، زمانی که می خواهید درِ اتاق خود را باز کنید دستگیره را هل می دهید یا می کشید اما آیا از کنار لولای در، شروع به هل دادن یا کشیدن در می کنید؟

پاسخ قطعا منفی است. در واقع شما در حال استفاده صحیح از گشتاور بوده اید.

در حالت عادی وقتی به جسمی روی سطح زمین نیرویی وارد می کنیم، مستقیم حرکت می کند(به بیان تخصصی: دارای حرکت انتقالی است). حال اگر همین نیرو باعث حرکت چرخشی جسم حول محوری شود به آن نیرو، گشتاور گفته می شود. گشتاور به نیروی انتقالی و فاصله تا تکیه‌گاه(محور چرخش) بستگی دارد، هرچه فاصله را افزایش دهیم به نیروی کمتری برای حرکت دورانی جسم نیاز داریم. پس هنگام باز کردن در، آن را از قسمت دستگیره هل می دهیم چرا که بیشترین فاصله را از تکیه‌گاه(لولای در) دارد. رابطه گشتاور به صورت $\tau=r\times F$ می باشد، یعنی حاصل ضرب نیرو در فاصله گشتاور را به ما می دهد.

حال به پرسش اول باز گردیم، نیروی موجود در مسئله ناشی از گرانش است که به جرم کودکان بستگی داشته و ثابت می باشد، پس برای برابر شدن گشتاور 2 کودک باید فاصله آنها را از تکیه‌گاه تغییر دهید تا بتوانند الاکلنگ بازی کنند.

نحوه کار با شبیه ساز

شبیه ساز نیز مشابه الاکلنگ ساخته شده است، در بخش "مقدمه" سعی کنید با توجه به رابطه گشتاور، تعادلی بین کپسول آتش نشانی و سطل زبانه برقرار کنید.

بخش اصلی آزمایش در قسمت دوم وجود دارد، با توجه به آجرهای موجود سعی کنید بین آنها تعادل ایجاد کنید. در گام بعدی وارد شبیه ساز نزدیک به واقعیت شده و از انسان ها استفاده کنید؛ به عنوان مثال فرض کنید پدری با پسرش یا مادری با دخترش می خواهد سوار الاکلنگ شود. با توجه به مطالب گفته شده تعادل بین آنها برقرار کنید تا بتوانند بازی کنند.

در بخش سوم آزمایش می توانید وارد آزمونک شوید که مشابه بازی طراحی شده و خود را سرگرم کنید.

و در نهایت به سوال زیر فکر کرده و پاسخ خود را در باکس "پرسش و پاسخ" ارسال کنید:

فرض کنید چکشی داریم و آن را مانند الاکلنگ روی تکیه‌گاهی در تعادل قرار داده ایم، نقطه تعادل روی بدنه چکش نزدیک به سرِ آهنی آن است. چکش را از نقطه تعادل برش داده و به 2 قسمت تقسیم می کنیم. به نظر شما چه رابطه ای بین جرم این 2 قطعه وجود دارد؟ آیا برابرند؟ اگر برابر نیستند کدام یک سنگین تر است؟