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Tutta la fisica si preoccupa di descrivere come gli oggetti si muovono e come determinate quantità che possiedono (ad esempio energia, quantità di moto) vengono scambiate tra loro e l'ambiente. Forse la quantità più fondamentale che governa il moto è la forza, che è descritta dalle Leggi di Newton.
Quando immagini le forze, probabilmente immagini che gli oggetti vengano spinti o tirati in linea retta. In effetti, dove per la prima volta sei esposto al concetto di forza in un corso di scienze fisiche, questo è il tipo di scenario che ti viene presentato perché è il più semplice.
Ma le leggi fisiche che governano il movimento rotazionale includono un insieme completamente diverso di variabili ed equazioni, anche se i principi sottostanti sono gli stessi. Una di queste quantità speciali è momento torcente, che spesso agisce per ruotare gli alberi nelle macchine.
Che cos'è la forza?
Una forza, in parole semplici, è una spinta o una trazione. Se l'effetto netto di tutte le forze che agiscono su un oggetto non viene annullato, tale forza netta farà accelerare l'oggetto o ne cambierà la velocità.
Contrariamente, forse, alla tua intuizione e alle idee degli antichi Greci, non è richiesta la forza per muovere un oggetto a velocità costante, poiché l'accelerazione è definita come il tasso di cambiamento di velocità.
Se un' = 0, modifica in v = 0 e non è necessaria alcuna forza per consentire all'oggetto di continuare a muoversi, a condizione che non vi siano altre forze (incluso il trascinamento o l'attrito dell'aria) su di esso.
In un sistema chiuso, se la somma di tutte le forze presenti è zero e la somma di tutte le coppie presenti è pari a zero, il sistema è considerato in equilibrio, poiché nulla lo costringe a cambiare movimento.
Spiegazione della coppia
La controparte rotazionale da forzare in fisica è la coppia, rappresentata da T.
La coppia è una componente fondamentale praticamente di ogni tipo di applicazione ingegneristica immaginabile; ogni macchina che include un albero rotante include un componente di coppia, che rappresenta quasi l'intero mondo dei trasporti, insieme alle attrezzature agricole e molto altro nel mondo industriale.
La formula generale per la coppia è data da
T = F × r × sin θDove F è la forza applicata a un braccio di leva di lunghezza r ad angolo θ . Poiché sin 0 ° = 0 e sin 90 ° = 1, puoi vedere che la coppia viene massimizzata quando la forza viene applicata perpendicolarmente alla leva. Quando pensi a qualsiasi esperienza con le chiavi lunghe che potresti aver avuto, questo probabilmente ha un senso intuitivo.
Formula della coppia dell'albero
Per calcolare la coppia dell'albero - ad esempio, se stai cercando una formula per la coppia dell'albero a camme - devi prima specificare il tipo di albero di cui stai parlando.
Questo perché gli alberi che, ad esempio, sono svuotati e contengono tutta la loro massa in un anello cilindrico si comportano diversamente dagli alberi solidi dello stesso diametro.
Per la torsione su alberi cavi o solidi, viene chiamata una quantità stress da taglio, rappresentata da τ (la lettera greca tau), entra in gioco. Anche il momento di inerzia polare di un'area, J, una quantità piuttosto simile alla massa nei problemi di rotazione, entra nella miscela ed è specifica per la configurazione dell'albero.
La formula generale per la coppia su un albero è:
T = τ × frac {J} {r}dove r è la lunghezza e la direzione del braccio della leva. Per un albero solido, J ha il valore di (π / 2)r4.
Per un albero scavato, J invece è (π / 2) (ro4 – rio4), dove ro e ro sono i raggi esterni e interni dell'albero (la parte solida esterna al cilindro vuoto).