Name: balancing rotational forces
Uploaded: 2023-04-30T06:55:11.000Z
Duration: 8 min 18 s
Channel: JoVE

1. استخدام وزنين لموازنة الحزمة.
<ol>
	<li>ابدأ بتوصيل وزن 200 جرام بالخطاف الأول على اليمين. ثم قم بتوصيل وزن 200 جرام بالفتحة الأولى على اليسار. إذا تم تحريرها من السكون ، يجب ألا تدور الشعاع.</li>
	<li>قم بإزالة وزن 200 جرام من الجانب الأيسر. حدد باستخدام المعادلة 1 حيث يجب وضع وزن 100 جرام لموازنة عزم الدوران من الجانب الأيمن. ضع الوزن وقم بتأكيد التنبؤ.</li>
</ol>
2. استخدام ثلاثة أوزان لموازنة الشعاع.
<ol>
	<li>قم بتوصيل وزن 100 جرام بالخطاف الأول على اليمين. ضع وزنا 100 جرام على الخطاف الثالث على اليمين.</li>
	<li>حدد مكان وضع وزن 200 جرام على الجانب الأيسر لموازنة عزم الدوران.</li>
	<li>حدد مكان وضع وزن 100 جرام على الجانب الأيسر لموازنة عزم الدوران.</li>
</ol>
3. استخدام أوزان متعددة لموازنة الحزمة.
<ol>
	<li>قم بتوصيل وزن 200 جرام بالخطاف الرابع على الجانب الأيمن.</li>
	<li>باستخدام أي مزيج من أوزان 100 جرام و 200 جرام ، ابحث عن ثلاث طرق يمكن من خلالها موازنة عزم الدوران من الجانب الأيمن على الجانب الأيسر.</li>
	<li>مع استمرار توصيل وزن 200 جرام بالخطاف الرابع على الجانب الأيمن ، قم بتوصيل مقياس القوة بالخطاف الأول على الجانب الأيسر واسحبه حتى يصبح في حالة توازن. تأكد من الحفاظ على مقياس القوة عموديا على الحزمة. سجل القوة. افعل ذلك لكل خطاف على الجانب الأيسر وسجل القيم.</li>
	<li>مع استمرار توصيل وزن 200 جرام بالخطاف الرابع على الجانب الأيمن ، استخدم منقلة لتدوير الشعاع 30 درجة. قم بتوصيل مقياس القوة بالخطاف الثالث على اليسار وسجل القوة. كرر لمدة 60 درجة.</li>
</ol>
<div class = "chapter_text" id = "script_0" >
عزم الدوران هو القوة الأساسية التي تحكم الدوران وهو مفيد لوصف تشغيل كل من الآلات البسيطة والمعقدة.
يشبه إلى حد كبير الطريقة التي تسبب بها القوة الكلية التسارع الخطي a في نظام انتقالي ، فإن صافي عزم الدوران ، الذي يمثله عادة الحرف اليوناني t ، هو قوة تسبب التسارع الزاوي a في نظام دوراني.
ومع ذلك ، إذا تم إجراء عزم دوران متعدد يعمل على نظام ما لتحقيق التوازن مع بعضها البعض ، فسيكون صافي عزم الدوران صفرا ، وسيكون النظام في حالة توازن.
الهدف من هذا الفيديو هو فهم مكونات عزم الدوران عن طريق وضع الأوزان في مواضع مختلفة على شعاع يدور بحرية لتحقيق التوازن الدوراني.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
قبل استخدام الأوزان لموازنة الحزمة ، دعنا نعيد النظر في مفاهيم عزم الدوران والتوازن الدوراني. من الأمثلة الجيدة على عزم الدوران عندما يكون لديك إطار مثقوب وتضطر إلى استخدام مفتاح ربط لفك الجوز قبل أن تتمكن من تغييره.
 يتم تعريف عزم الدوران على أنه المنتج المتقاطع للمسافة, r, من محور الدوران الذي يتم تطبيق القوة فيه والقوة. تسمى هذه المسافة أيضا ذراع الرافعة. لاحظ أن المكون العمودي للقوة فقط ، الموجود باستخدام خطيئة زاوية ثيتا بين القوة وذراع الدوران ، يساهم في حجم عزم الدوران.
يتضح من المعادلة أنه من خلال تحريك القوة المطبقة من منتصف مفتاح الربط إلى النهاية ، فإنك تضاعف ذراع الرافعة وبالتالي تضاعف عزم الدوران المستخدم لفك الجوز. إذا كان الجوز لا يزال لا يتزحزح ، فقد تحتاج إلى معرفة كيفية زيادة القوة العمودية.
الآن ضع في اعتبارك نظاما آخر ، حيث يتم إرفاق وزن الكتلة m بحزمة يمكن أن تدور. إن معرفة العلاقة بين التسارع الخطي والزاوي ، وضرب طرفي المعادلة في r ، يعطي تعريفا جديدا لعزم الدوران. الآن ، mr2 ليس سوى القصور الذاتي الدوراني للنظام I وتمثل معادلة عزم الدوران هذه المكافئ الدوراني لقانون نيوتن الثاني ، حيث يمكن أن يتسبب عزم الدوران في حدوث تسارع زاوي. يرجى مشاهدة فيديو تعليم العلوم الخاص ب JoVE حول القصور الذاتي الدوراني لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع.
الآن ، إذا تم تسوية الشعاع وإزالة الوزن ، فلا يوجد صافي عزم دوران على النظام وبالتالي يجب أن يكون التسارع الزاوي صفرا أيضا. لذلك ، لن يدور النظام الثابت ويقال إنه في حالة توازن دوراني. لمزيد من المعلومات حول هذا المفهوم ، يرجى مشاهدة الفيديو حول مخططات التوازن والجسم الحر.
يمكن أيضا إنشاء توازن الدوران عن طريق وضع الأوزان بشكل صحيح على جانبي محور الدوران ، بحيث يعارضان بعضهما البعض بالتساوي. تقليديا ، فيما يتعلق بمحور الدوران ، يكون عزم الدوران موجبا للدوران عكس اتجاه عقارب الساعة وسلبيا للدوران في اتجاه عقارب الساعة.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
الآن بعد أن فهمت كيف يمكن أن يؤثر عزم الدوران على نظام الدوران ، دعنا نرى كيفية تطبيق هذه القوى لتحقيق التوازن. تتكون هذه التجربة من شعاع به خطافات متباعدة بشكل متساو لربط الأوزان ، ومنقلة ، ومقياس قوة ، والعديد من الأوزان بكتل 100 جم و 200 جرام.
في البداية ، يتم استخدام وزنين لإنشاء توازن دوراني بوزن 200 جرام متصل بالخطاف الأول على اليمين. يجب أن يؤدي توصيل وزن 200 جرام آخر بالخطاف الأول على اليسار إلى منع الشعاع من الدوران. قم بإزالة الوزن من الجانب الأيسر وضع وزنا 100 جرام في الموضع المناسب لموازنة عزم الدوران من الجانب الأيمن.
بعد ذلك ، يتم استخدام ثلاثة أوزان لموازنة عزم الدوران بدءا من أوزان 100 جرام على كل من الخطافات الأولى والثالثة على اليمين. ضع وزنا يبلغ 200 جرام بشكل صحيح على الجانب الأيسر بحيث يكون صافي عزم الدوران على النظام صفرا. بعد ذلك ، قم بإزالة الوزن واستخدم وزنا 100 جرام لإعادة التوازن.
بعد ذلك ، يتم استخدام أوزان متعددة لموازنة الحزمة بوزن 200 جرام متصل بالخطاف الرابع على اليمين. باستخدام أي مزيج من أوزان 100 جم و 200 جم ، حدد ثلاثة تكوينات على الجانب الأيسر يمكنها تحقيق التوازن الدوراني.
بعد ذلك ، مع استمرار توصيل وزن 200 جرام بالخطاف الرابع على اليمين ، احسب القوة المطلوبة لموازنة عزم الدوران لكل من الخطافات الموجودة على اليسار. قم بتوصيل مقياس القوة بالخطاف الأول على اليسار ، وتأكد من أنه عمودي على الحزمة ، واسحبه لأسفل حتى يصبح الشعاع مستويا وقيمة قوة التسجيل. كرر هذا الإجراء لكل خطاف على اليسار.
أخيرا ، مع استمرار تثبيت وزن 200 جرام ، قم بتوصيل مقياس القوة بالخطاف الثالث على اليسار وقم بتسوية الشعاع. وباستخدام المنقلة ، اسمح للشعاع بالدوران إلى اليمين بمقدار 30 درجة. تأكد من أن مقياس القوة عمودي على الحزمة ، سجل قيمة القوة. قم بزيادة زاوية الدوران إلى 60 درجة وسجل قيمة القوة هذه.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
تؤكد كل تجربة من تجارب الحزمة المتوازنة أن التكوين المناسب للأوزان يمكن أن يحقق التوازن حيث يكون صافي عزم الدوران صفرا. لا يوجد عزم دوران صافي يعني عدم حدوث تسارع زاوي وبالتالي لا يدور الشعاع إذا تم إطلاقه من السكون. يتضح هذا التوازن الدوراني بشكل خاص مع التكوينات الستة المختلفة لأوزان 100 و 200 جرام على الجانب الأيسر ، والتي يمكن أن توازن وزن 200 جرام المتصل بالخطاف الخارجي الأيمن.
في التجربة التالية ، سمح مقياس القوة بقياس أكثر استمرارية لعزم الدوران المطلوب للتوازن. نظرا لأن مقياس القوة عمودي على الحزمة ، تماما مثل الوزن ، يمكن حساب القوة FL عند الاتزان باستخدام هذه الصيغة. ويبين هذا الجدول القوة المحسوبة للخطافات المختلفة على الجانب الأيسر بوزن ثابت 200 جرام على الخطاف الخارجي على الجانب الأيمن.
عندما يتم تدوير الحزمة من الأفقي بزاوية ثيتا ، فإن أحد مكونات وزن الجاذبية فقط ، المعطى بهذه الصيغة ، يساهم في عزم الدوران. وبالتالي ، ستكون القوة المقاسة أقل من القيمة التي لوحظت لحزمة المستوى وستقل مع زيادة الزاوية.
</div>
<div class = "chapter_text" id = "script_4" >
يمكن أن تكون المبادئ الأساسية لعزم الدوران لا تقدر بثمن عند محاولة فهم الأنظمة الميكانيكية الدوارة وكيف يمكن أن يترجم ذلك إلى حركة خطية.
يوضح الأرجوحة عزم الدوران بشكل مثالي مع الأشخاص الذين يولدون القوة على جانبي نقطة الارتكاز لإنشاء دوران. عندما يكون لكلتا المجموعتين من الأشخاص أذرع رافعة متشابهة ، فإن المجموعة الأثقل من الأشخاص ستولد المزيد من عزم الدوران وسيتم رفع المجموعة الأخرى من الأشخاص. على العكس من ذلك ، من أجل رفع المجموعة الأثقل من الأشخاص ، يجب عليهم تقليل ذراعهم اللحظي عن طريق الانزلاق نحو نقطة الارتكاز.
يلعب عزم دوران السيارة دورا مهما في أدائها ، كما يتضح من قانون نيوتن الثاني للتسارع الزاوي. بالنسبة للمركبات ذات القصور الذاتي نفسه ، يولد عزم الدوران الأكبر تسارعا زاويا أكبر ، والذي يتناسب طرديا مع التسارع الخطي للمركبة. وبالمثل ، إذا كان لمركبتين نفس التسارع ، فإن عزم الدوران المتزايد سيستوعب مزيدا من القصور الذاتي وبالتالي يسمح للمركبة بسحب حمولة ضخمة.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن Torque. يجب أن تفهم الآن مبادئ عزم الدوران وكيف يمكن استخدامه لإنشاء توازن دوراني أو توليد تسارع زاوي. شكرا للمشاهدة!
</div>

كما ذكرنا سابقا ، فإن التطبيق البسيط لعزم الدوران يستخدم مفتاح ربط لتشديد البرغي. الشيء المهم الذي يجب تذكره هو أن عزم الدوران يتكون من مكونين. إذا كان من الصعب شد البرغي مع مفتاح الربط في متناول اليد ، فإن العامل لديه خياران. يمكنه إما استخدام المزيد من القوة أو مجرد الحصول على مفتاح ربط أطول. عادة ما يكون هذا الأخير هو الخيار الأسهل.

عندما يقتبس إعلان سيارة بعض قيمة عزم الدوران ، فمن الجيد الانتباه. كما يتضح من المعادلة <img alt="Torque equation τ=a*I, symbol for angular momentum, ed...

عزم الدوران

المصدر: نيكولاس تيمونز ، أسانثا كوراي ، دكتوراه ، قسم الفيزياء وعلم الفلك ، كلية العلوم الفيزيائية ، جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ، كاليفورنيا 

الهدف من هذه التجربة هو فهم مكونات عزم الدوران وموازنة عزم الدوران المتعدد في النظام لتحقيق التوازن. يشبه إلى حد كبير كيف تتسبب القوة في التسارع الخطي ، فإن عزم الدوران هو قوة تسبب تسارعا دورانيا. يتم تعريفه على أنه ناتج القوة ومسافة القوة من محور الدوران. إذا كان مجموع عزم الدوران على النظام يساوي صفرا ، فلن يكون للنظام أي تسارع زاوي.

الخطوة 1.2: قم بتوصيل وزن 100 جرام بالفتحة الثانية على اليسار.
 الخطوة 2.2: قم بتوصيل وزن 200 جرام بالفتحة الثانية على اليسار.
 الخطوة 2.3: قم بتوصيل وزن 100 جرام بالفتحة الرابعة على اليسار.
الخطوة 3.2: هناك ست طرق مختلفة:
1) 200 جم - 4 ثقب
< p class = "jove_content" f...

Source: Nicholas Timmons,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, ...

عزم الدوران هو القوة الأساسية التي تحكم الدوران وهو مفيد لوصف تشغيل كل من الآلات البسيطة والمعقدة. يشبه إلى حد كبير الطريقة التي تسبب بها القوة الكلية التسارع الخطي a في نظام انتقالي ، فإن صافي عزم الدوران ، الذي يمثله عادة الحرف اليوناني t ، هو قوة تسبب التسارع الزاوي a في نظام دوراني. ومع ذلك ، إذا تم إجراء عزم دوران متعدد يعمل على نظام ما لتحقيق التوازن مع بعضها البعض ، فسيكون صافي عزم الدوران صفرا ، وسيكون النظام في حالة توازن. الهدف من هذا الفيديو هو فهم مكونات عزم الدوران عن طريق وضع الأوزان في مواضع مختلفة على شعاع يدور بحرية لتحقيق التوازن الدوراني. قبل استخدام الأوزان لموازنة الحزمة ، دعنا نعيد النظر في مفاهيم عزم الدوران والتوازن الدوراني. من الأمثلة الجيدة على عزم الدوران عندما يكون لديك إطار مثقوب وتضطر إلى استخدام مفتاح ربط لفك الجوز قبل أن تتمكن من تغييره. يعرف عزم الدوران بأنه حاصل الضرب المتقاطع للمسافة ، r ، من محور الدوران الذي يتم فيه تطبيق القوة والقوة. تسمى هذه المسافة أيضا ذراع الرافعة. لاحظ أن المكون العمودي للقوة فقط ، الموجود باستخدام خطيئة زاوية ثيتا بين القوة وذراع الدوران ، يساهم في حجم عزم الدوران. يتضح من المعادلة أنه من خلال تحريك القوة المطبقة من منتصف مفتاح الربط إلى النهاية ، فإنك تضاعف ذراع الرافعة وبالتالي تضاعف عزم الدوران المستخدم لفك الجوز. إذا كان الجوز لا يزال لا يتزحزح ، فقد تحتاج إلى معرفة كيفية زيادة القوة العمودية. الآن ضع في اعتبارك نظاما آخر ، حيث يتم إرفاق وزن الكتلة m بحزمة يمكن أن تدور. إن معرفة العلاقة بين التسارع الخطي والزاوي ، وضرب طرفي المعادلة في r ، يعطي تعريفا جديدا لعزم الدوران. الآن ، mr2 ليس سوى القصور الذاتي الدوراني للنظام I وتمثل معادلة عزم الدوران هذه المكافئ الدوراني لقانون نيوتن الثاني ، حيث يمكن أن يتسبب عزم الدوران في حدوث تسارع زاوي. يرجى مشاهدة فيديو تعليم العلوم الخاص ب JoVE حول القصور الذاتي الدوراني لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع. الآن ، إذا تم تسوية الشعاع وإزالة الوزن ، فلا يوجد صافي عزم دوران على النظام وبالتالي يجب أن يكون التسارع الزاوي صفرا أيضا. لذلك ، لن يدور النظام الثابت ويقال إنه في حالة توازن دوراني. لمزيد من المعلومات حول هذا المفهوم ، يرجى مشاهدة الفيديو حول مخططات التوازن والجسم الحر. يمكن أيضا إنشاء توازن الدوران عن طريق وضع الأوزان بشكل صحيح على جانبي محور الدوران ، بحيث يعارضان بعضهما البعض بالتساوي. تقليديا ، فيما يتعلق بمحور الدوران ، يكون عزم الدوران موجبا للدوران عكس اتجاه عقارب الساعة وسلبيا للدوران في اتجاه عقارب الساعة. الآن بعد أن فهمت كيف يمكن أن يؤثر عزم الدوران على نظام الدوران ، دعنا نرى كيفية تطبيق هذه القوى لتحقيق التوازن. تتكون هذه التجربة من شعاع به خطافات متباعدة بشكل متساو لربط الأوزان ، ومنقلة ، ومقياس قوة ، والعديد من الأوزان بكتل 100 جم و 200 جرام. في البداية ، يتم استخدام وزنين لإنشاء توازن دوراني بوزن 200 جرام متصل بالخطاف الأول على اليمين. يجب أن يؤدي توصيل وزن 200 جرام آخر بالخطاف الأول على اليسار إلى منع الشعاع من الدوران. قم بإزالة الوزن من الجانب الأيسر وضع وزنا 100 جرام في الموضع المناسب لموازنة عزم الدوران من الجانب الأيمن. بعد ذلك ، يتم استخدام ثلاثة أوزان لموازنة عزم الدوران بدءا من أوزان 100 جرام على كل من الخطافات الأولى والثالثة على اليمين. ضع وزنا يبلغ 200 جرام بشكل صحيح على الجانب الأيسر بحيث يكون صافي عزم الدوران على النظام صفرا. بعد ذلك ، قم بإزالة الوزن واستخدم وزنا 100 جرام لإعادة التوازن. بعد ذلك ، يتم استخدام أوزان متعددة لموازنة الحزمة بوزن 200 جرام متصل بالخطاف الرابع على اليمين. باستخدام أي مزيج من أوزان 100 جم و 200 جم ، حدد ثلاثة تكوينات على الجانب الأيسر يمكنها تحقيق التوازن الدوراني. بعد ذلك ، مع استمرار توصيل وزن 200 جرام بالخطاف الرابع على اليمين ، احسب القوة المطلوبة لموازنة عزم الدوران لكل من الخطافات الموجودة على اليسار. قم بتوصيل مقياس القوة بالخطاف الأول على اليسار ، وتأكد من أنه عمودي على الحزمة ، واسحبه لأسفل حتى يصبح الشعاع مستويا وقيمة قوة التسجيل. كرر هذا الإجراء لكل خطاف على اليسار. أخيرا ، مع استمرار تثبيت وزن 200 جرام ، قم بتوصيل مقياس القوة بالخطاف الثالث على اليسار وقم بتسوية الشعاع. وباستخدام المنقلة ، اسمح للشعاع بالدوران إلى اليمين بمقدار 30 درجة. تأكد من أن مقياس القوة عمودي على الحزمة ، سجل قيمة القوة. قم بزيادة زاوية الدوران إلى 60 درجة وسجل قيمة القوة هذه. تؤكد كل تجربة من تجارب الحزمة المتوازنة أن التكوين المناسب للأوزان يمكن أن يحقق التوازن حيث يكون صافي عزم الدوران صفرا. لا يوجد عزم دوران صافي يعني عدم حدوث تسارع زاوي وبالتالي لا يدور الشعاع إذا تم إطلاقه من السكون. يتضح هذا التوازن الدوراني بشكل خاص مع التكوينات الستة المختلفة لأوزان 100 و 200 جرام على الجانب الأيسر ، والتي يمكن أن توازن وزن 200 جرام المتصل بالخطاف الخارجي الأيمن. في التجربة التالية ، سمح مقياس القوة بقياس أكثر استمرارية لعزم الدوران المطلوب للتوازن. نظرا لأن مقياس القوة عمودي على الحزمة ، تماما مثل الوزن ، يمكن حساب القوة FL عند الاتزان باستخدام هذه الصيغة. ويبين هذا الجدول القوة المحسوبة للخطافات المختلفة على الجانب الأيسر بوزن ثابت 200 جرام على الخطاف الخارجي على الجانب الأيمن. عندما يتم تدوير الحزمة من الأفقي بزاوية ثيتا ، فإن أحد مكونات وزن الجاذبية فقط ، المعطى بهذه الصيغة ، يساهم في عزم الدوران. وبالتالي ، ستكون القوة المقاسة أقل من القيمة التي لوحظت لحزمة المستوى وستقل مع زيادة الزاوية. يمكن أن تكون المبادئ الأساسية لعزم الدوران لا تقدر بثمن عند محاولة فهم الأنظمة الميكانيكية الدوارة وكيف يمكن أن يترجم ذلك إلى حركة خطية. يوضح الأرجوحة عزم الدوران بشكل مثالي مع الأشخاص الذين يولدون القوة على جانبي نقطة الارتكاز لإنشاء دوران. عندما يكون لكلتا المجموعتين من الأشخاص أذرع رافعة متشابهة ، فإن المجموعة الأثقل من الأشخاص ستولد المزيد من عزم الدوران وسيتم رفع المجموعة الأخرى من الأشخاص. على العكس من ذلك ، من أجل رفع المجموعة الأثقل من الأشخاص ، يجب عليهم تقليل ذراعهم اللحظي عن طريق الانزلاق نحو نقطة الارتكاز. يلعب عزم دوران السيارة دورا مهما في أدائها ، كما يتضح من قانون نيوتن الثاني للتسارع الزاوي. بالنسبة للمركبات ذات القصور الذاتي نفسه ، يولد عزم الدوران الأكبر تسارعا زاويا أكبر ، والذي يتناسب طرديا مع التسارع الخطي للمركبة. وبالمثل ، إذا كان لمركبتين نفس التسارع ، فإن عزم الدوران المتزايد سيستوعب مزيدا من القصور الذاتي وبالتالي يسمح للمركبة بسحب حمولة ضخمة. لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن Torque. يجب أن تفهم الآن مبادئ عزم الدوران وكيف يمكن استخدامه لإنشاء توازن دوراني أو توليد تسارع زاوي. شكرا للمشاهدة!

Education

JoVE Science Education

Physics

الفيزياء

Physics I

فيزياء ١

Torque

balancing rotational forces

Torque describes rotational force and how it acts in a system. It is the force that causes rotational acceleration, much as force causes linear acceleration. In this experiment, students learn the parts of torque and how they work together.

Torque is defined as the product of a force and the distance of that force from the axis of rotation. The axis of rotation is the point or line around which an object turns. A larger force or a greater distance from the axis can change the size of the torque.

The activity also shows how to balance multiple torques in one system to reach equilibrium. When the sum of the torques equals zero, the system has no angular acceleration. That balance is the key idea behind rotational equilibrium.

Balancing Rotational Forces

newton's laws of motion

Action-Reaction Forces in Cart Collisions

Action-reaction forces appear when two carts interact through collisions, pushing, or pulling. The carts used in this experiment have variable masses, which lets students compare how the forces change in different situations. The first part looks at two wheeled carts as they collide. The goal is to find when the force one cart exerts on the other has the same magnitude as the force the second cart exerts back on the first. It also examines when those two forces have different magnitudes. The...

force and acceleration

Newton’s Second Law in a Glider Test

Newton’s second law links force and motion. In this experiment, students measure the acceleration of a glider as it is acted on by a force. The setup shows how motion changes when a net force is applied. The activity also connects to Isaac Newton’s three laws of motion. The first law explains that objects in motion tend to stay in motion. The second law explains that objects accelerate when a net force acts on them. The third law states that every force has an equal and opposite force. The...

vectors in multiple directions

Forces That Balance Vector Sums

Vectors are quantities with both magnitude and direction. In this experiment, vector addition and subtraction are shown in multiple directions. The goal is to calculate the result of several vectors and then check those results in the lab. A vector has a size, or magnitude, and a direction. The magnitude is shown by the length of the vector. The direction is usually given by the angle it makes with the x-axis. These ideas help describe how vector quantities combine. Forces are vectors, so...

kinematics and projectile motion

Projectile Motion Lab: Height and Range

Projectile motion can be used to study kinematics in one and two dimensions. In this lab, a projectile is launched straight up to examine motion in 1 dimension under constant acceleration. The maximum height is measured and compared with the kinematic equations for upward motion. The experiment also shows motion in 2 dimensions by launching the ball at an angle theta. From the initial speed, total time, and angle of trajectory, the landing distance can be predicted with kinematic equations.

newton's law of universal gravitation

Measuring Gravity on Earth

Gravity on Earth can be measured through gravitational acceleration, often written as g. This value describes the acceleration an object experiences on Earth because of Earth’s gravitational force. Knowing g is important because it tells us the strength of that force at Earth’s surface. The idea comes from Isaac Newton’s work on gravity. A famous story says he saw an apple fall from a tree and noticed its acceleration. That observation led him to think that a force was acting on the apple, and...

conservation of momentum

Momentum in Low-Friction Collisions

Momentum in low-friction collisions is tested by comparing the motion of objects before and after they collide. A surface with very little friction is used so the moving objects can be studied more clearly. Their initial momentum and final momentum are measured during the collision. Momentum conservation is one of the most important laws in physics. In physics, something is conserved when the initial value equals the final value. For momentum, this means the total initial momentum of a system...

friction

Measuring Static and Kinetic Friction

Friction is a force that opposes motion between two surfaces. This experiment examines the two main kinds of friction: static friction and kinetic friction. It also shows how to measure the coefficients of friction for objects sliding on a flat surface and down an inclined plane. Static friction acts when an object is not moving. A force must first be applied to start the object moving. Kinetic friction acts after motion begins. It slows a sliding object as the surfaces move past each other. <br...

hooke's law and simple harmonic motion

Spring Potential Energy and Hooke’s Law

Spring potential energy is a key idea in physics. It is the energy stored when a spring is stretched or compressed from its relaxed state. Because the spring can do work on an object, that stored energy is an important example of potential energy. Potential energy is the energy linked to forces that depend on an object’s position relative to its surroundings. Gravitational potential energy depends on height above the ground, and it is covered in another video. Spring potential energy depends...

equilibrium and free-body diagrams

Forces, Torque, and Structural Balance

Equilibrium in mechanics is a special case where an object or system has both zero net force and zero net torque. When that happens, linear acceleration and angular acceleration are also zero. The object may stay at rest, or its center of mass may move at a constant velocity. Even in equilibrium, forces can still act on an object. In fact, there are very few situations on Earth where no forces act at all. A person walking across a bridge is a simple example. The person pushes downward on the...

torque

Torque describes rotational force and how it acts in a system. It is the force that causes rotational acceleration, much as force causes linear acceleration. In this experiment, students learn the parts of torque and how they work together. Torque is defined as the product of a force and the distance of that force from the axis of rotation. The axis of rotation is the point or line around which an object turns. A larger force or a greater distance from the axis can change the size of the...

rotational inertia

Measuring How Mass Affects Spin

Rotational inertia describes how strongly an object resists changes in its spin. In linear motion, inertia is tied to mass. A more massive object needs more force to accelerate, and this idea is shown by Newton’s second law, where force equals mass times acceleration. For rotation, the same basic idea applies. Rotational inertia is the resistance of an object to being rotationally accelerated. It depends on mass and on how far that mass is from the center of rotation. Mass placed farther from...

angular momentum

Angular Momentum in Rotating Systems

Angular momentum in rotating systems depends on an object’s moment of inertia and its angular velocity. It is the rotational form of linear momentum. In this experiment, students examine how this quantity describes motion in a spinning object. Angular momentum is conserved. That means the total angular momentum of a system does not change if no external torques act on it. Torque is the rotational equivalent of force. Because of this conservation rule, angular momentum is an important quantity...

energy and work

Gravity, Kinetic Energy, and Work

Gravity, kinetic energy, and work are connected in this high school physics experiment. The activity shows the work-energy principle using a glider on an air track. It focuses on how gravitational potential energy changes into translational kinetic energy as the glider moves. Gravitational potential energy is the energy an object has because of its position in a gravitational field. An object placed higher above the ground has more gravitational potential energy. Translational kinetic energy...

enthalpy

Heat Flow and the First Law

Heat flow and the first law of thermodynamics explain how energy moves between objects at different temperatures. When a pot of water sits on a hot stove, heat flows from the stove to the water. This transfer continues until the temperatures tend to equalize. The same idea appears when objects are in thermal contact. Heat moves spontaneously from the hotter object to the colder one. For example, if ice cubes are added to a cup of room-temperature water, heat from the water flows to the ice.

entropy

Entropy and the Direction of Change

Entropy is a key idea in thermodynamics, the study of heat and energy. It connects to the second law of thermodynamics, which says that the entropy of a system always increases over time or stays constant in ideal cases. That constant change can happen in a steady state or during a reversible process. When a system undergoes an irreversible process, its entropy will always increase. In this case, the change in entropy, written as ΔS, is greater than or equal to zero. This rule helps describe...

physics i

This collection covers classical mechanics and thermodynamics discussing relevant laws and equations; every topic is presented with experiments validating theoretical hypothesis, and real world contextual examples. 

Learn how torque creates rotational acceleration and how multiple torques can balance to reach equilibrium when the total torque is zero.

Balancing Rotational Forces

Description

Transcript