如何计算扭矩(calculate torque)

你可能知道,如果你推或拉一个物体(施加力),它会移动一段距离。它移动的距离取决于物体的重量和你施加的力。但是,如果对象固定在某个点(称为“旋转点”或“轴”),并且在距离该点一定距离处推拉对象,则对象将绕该轴旋转。旋转的大小是扭矩(τ),用牛顿米(N)表示∙m) 。计算扭矩最基本的方法是将距离轴米的力乘以牛顿。对于三维物体,这个公式还有一个旋转版本,它使用惯性矩和角加速度。计算扭矩是一个物理概念,需...

方法1方法1(共3种):确定垂直力的扭矩

  1. 1找到力矩臂的长度。从轴或旋转点到施力点的距离称为力矩臂。该距离通常以米(m)表示。因为扭矩是一个旋转力,所以这个距离也是一个半径。出于这个原因,你有时会看到它在基本扭矩方程中用“r”表示。
  2. Image titled Calculate Torque Step 1
  3. 2计算垂直于力矩臂施加的力。垂直于力矩臂施加的力产生最大扭矩。假设力矩与力臂垂直。在扭矩问题中,通常会给出力的大小。然而,如果你必须自己计算出来,你需要知道物体的质量和物体的加速度,单位为m/s2。根据牛顿第二定律,力等于质量乘以加速度(F=m×a{显示样式F=m×a})。
  4. Image titled Calculate Torque Step 2{\displaystyle F=m\times a}
  5. 3将力乘以距离,得出扭矩。扭矩的基本公式是τ=F×r{\displaystyle\tau=F乘以r},其中扭矩由希腊字母tau(τ)表示,等于力(F)乘以距离(或半径,r)。如果知道力的大小(以牛顿为单位)和距离(以米为单位),可以求解以牛顿米(N)为单位的扭矩∙m) 。例如,假设有一个力垂直于对象,在距离轴10米的对象上施加20牛顿的力。扭矩大小为200 N∙m:τ=20×10=200{\displaystyle\tau=20\乘以10=200}
  6. Image titled Calculate Torque Step 3{\displaystyle \tau =F\times r}{\displaystyle \tau =20\times 10=200}
  7. 4显示具有正扭矩或负扭矩的力的方向。现在你知道了扭矩的大小,但你不知道它是正的还是负的。这取决于旋转方向。如果物体逆时针旋转,则扭矩为正。如果物体顺时针旋转,扭矩为负。例如,如果对象顺时针移动,扭矩大小为200 N∙m、 你可以用-200N来表示∙m的扭矩。如果扭矩大小为正,则无需任何符号。扭矩大小的给定值保持不变。如果该值前面出现负号,则表示该对象正在顺时针旋转。
  8. Image titled Calculate Torque Step 4
  9. 5给定轴周围的单个总扭矩,以求得净扭矩(∑τ)。有可能有一个以上的力作用在一个物体上,与轴线的距离不同。如果一个力以与另一个力相反的方向推动或拉动,物体将以更大扭矩的方向旋转。如果净扭矩为零,则系统平衡。如果你得到的是净扭矩,而不是其他变量,比如力,使用基本代数原理来求解缺失的变量。例如,假设您被告知净扭矩为零。轴一侧的扭矩大小为200 N∙m、 在轴的另一侧,力从轴向距离轴5米的相反方向施加。因为你知道净扭矩是0,你知道这两个力的总和必须等于0,所以你可以构造你的方程来找到缺失的力:200+(F×5)=0{\displaystyle 200+(F×5)=0}F×5=−200{\displaystyle F\乘以5=-200}F=−2005{\displaystyle F=-{\frac{200}{5}}F=−40{\displaystyle F=-40}
  10. Image titled Calculate Torque Step 5{\displaystyle 200+(F\times 5)=0}{\displaystyle F\times 5=-200}{\displaystyle F=-{\frac {200}{5}}}{\displaystyle F=-40}

方法2方法2/3:计算斜力的扭矩

  1. 1从径向向量的距离开始。径向向量是从轴或旋转点延伸的线。它也可以是任何物体,例如门或时钟的分针。为了计算扭矩,要测量的距离是从轴到施加力以旋转矢量的点的距离。对于大多数物理问题,这个距离是以米为单位测量的。在扭矩方程中,半径或径向矢量的距离用“r”表示。
  2. Image titled Calculate Torque Step 6
  3. 2计算出施加的力的大小。在大多数扭矩问题中,这个值也会给你。力的大小以牛顿为单位,并将在特定方向上施加。但是,力不是垂直于径向矢量,而是以一定角度施加,从而得到径向矢量。如果你没有得到力的大小,你可以乘以质量乘以加速度来得到力,这意味着你需要得到这些值。也可能会给你扭矩,并告诉你求解力。在扭矩方程中,力用“F”表示
  4. Image titled Calculate Torque Step 7
  5. 3测量力矢量和径向矢量形成的角度。您测量的角度是力向量右侧的角度。如果没有提供测量值,请使用指南针测量角度。如果力被施加到径向向量的末端,则沿直线向外延伸径向向量以获得角度。在扭矩方程中,这个角度用希腊字母θ表示,“θ”通常指θ或θ角
  6. Image titled Calculate Torque Step 8
  7. 4使用计算器计算角度θ的正弦。在扭矩方程中,将径向矢量的距离和力的大小乘以刚刚测量的角度的正弦。将角度测量值放入计算器,然后按下“sin”按钮以获得角度的正弦值。如果用手测定角度的正弦,则需要测量直角三角形的对边和斜边。然而,由于大多数扭矩问题都不涉及精确测量,所以您不必担心这一点。
  8. Image titled Calculate Torque Step 9
  9. 5乘以距离、力和正弦以获得扭矩。当有角度力时,扭矩的完整公式是τ=r×F×sinθ{\displaystyle\tau=r\times F\times sin\theta}。结果以牛顿米(N)表示∙m) 。例如,假设有一个10米长的径向向量。我们告诉你,20牛顿的力以70°的角度施加在径向向量上。你会发现扭矩是188 N∙m: τ=10×20×sin70∘=10×20×0.94=188{\displaystyle\tau=10×20×sin70{\circ}=10×20×0.94=188}
  10. Image titled Calculate Torque Step 10{\displaystyle \tau =r\times F\times sin\theta }{\displaystyle \tau =10\times 20\times sin70^{\circ }=10\times 20\times 0.94=188}

方法3方法3/3:通过转动惯量和角加速度确定扭矩

  1. 1找到转动惯量。以角加速度移动物体所需的扭矩量取决于物体的质量分布,或其惯性矩,以kg表示∙平方米。如果没有提供惯性矩,您还可以在线查找常见对象。例如,假设您试图计算实心圆盘上的扭矩大小。实心圆盘的惯性矩为12MR2{\displaystyle{\frac{1}{2}}MR ^{2}}。这个方程式中的“M”代表圆盘的质量,“R”代表半径。如果知道圆盘的质量为5 kg,半径为2米,则可以确定惯性矩为10 kg∙m2:12(5×22)=12(5×4)=12(20)=10{\displaystyle{\frac{1}{2}(5×2})={\frac{1}{2}(5×4)={\frac{1}{2}(20)=10}
  2. Image titled Calculate Torque Step 11{\displaystyle {\frac {1}{2}}MR^{2}}{\displaystyle {\frac {1}{2}}(5\times 2^{2})={\frac {1}{2}}(5\times 4)={\frac {1}{2}}(20)=10}
  3. 2测定角加速度。如果你试图找到扭矩,角加速度通常会给你。这是对象在旋转时的速度变化量,单位为弧度/秒2。记住,如果物体以恒定速度移动,既不加速也不减速,角加速度可以为零。
  4. Image titled Calculate Torque Step 12
  5. 3将惯性矩乘以角加速度,得出扭矩。使用惯性矩和角加速度计算扭矩的完整公式为τ=Iα{\displaystyle\tau=\mathrm{I}\alpha},其中“τ”代表扭矩,“I”代表惯性矩,“α”代表角加速度。如果你想找到扭矩,只需将惯性矩和角加速度相乘即可得到结果。与其他方程一样,如果你试图找到其他值中的一个,你可以使用常见的代数原理对方程重新排序。例如,假设你知道一个物体的惯性矩是10公斤∙平方米。你还被告知扭矩为20 N∙m、 但你需要找出角加速度。既然你知道τ=Iα{\displaystyle\tau=\mathrm{I}\alpha},你也知道α=τI{\displaystyle\alpha={\frac{\tau}{\mathrm{I}}。当你输入你知道的变量时,你会发现物体的角加速度是2弧度/s2:α=2010=2{\displaystyle\alpha={\frac{20}{10}}=2}
  6. Image titled Calculate Torque Step 13{\displaystyle \tau =\mathrm {I} \alpha }{\displaystyle \tau =\mathrm {I} \alpha }{\displaystyle \alpha ={\frac {\tau }{\mathrm {I} }}}{\displaystyle \alpha ={\frac {20}{10}}=2}
  • 力矩方程与功方程(物体运动所需的物理力)非常相似。然而,做功时,力与距离平行,而力矩时,力与距离向量垂直。
  • 发表于 2022-05-18 10:22
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  • 分类:教育

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