نیوتنمتر: نیرویی که میچرخاند
گشتاور چیست و نیوتنمتر چگونه به وجود آمد؟
فرض کنید میخواهید یک در را باز کنید. اگر دقیقاً به لبهی در (نزدیک به دستگیره) فشار وارد کنید، راحت باز میشود. اما اگر به نقطهای نزدیک لولای در فشار بیاورید، حتی با نیروی زیاد هم باز کردن در سخت است. این مثال ساده، مفهوم گشتاور را نشان میدهد.
گشتاور معیاری است برای اندازهگیری اینکه یک نیرو تا چه اندازه میتواند یک جسم را حول یک نقطه یا محور بچرخاند. برای محاسبهی آن، دو چیز مهم است:
- مقدار نیرو (بر حسب نیوتن (N))
- فاصلهی عمود نیرو از نقطهی چرخش (بر حسب متر (m))
- $\tau$ (تاو) نماد گشتاور است.
- $F$ مقدار نیروی وارد بر جسم است.
- $d$ فاصلهی عمودی نقطهی اثر نیرو تا مرکز چرخش (بازوی گشتاور2) است.
تفاوت نیوتنمتر با نیوتن و ژول چیست؟
این سه یکا در فیزیک پایهی نهم با هم مرتبط اما متفاوت هستند. برای جلوگیری از اشتباه، باید کاربرد هر یک را بدانیم.
| یکا | نماد | مقدار چه چیزی را اندازه میگیرد؟ | مثال ساده |
|---|---|---|---|
| نیوتن | N | مقدار نیرو (هل دادن یا کشیدن) | نیرویی که برای بلند کردن یک کتاب از زمین وارد میکنید. |
| نیوتنمتر | N·m | مقدار گشتاور (قدرت چرخش) | نیرویی که با آچار برای سفت کردن پیچ وارد میکنید. |
| ژول | J | مقدار کار یا انرژی (نیرویی که باعث جابجایی میشود) | انرژی مصرف شده برای هل دادن یک صندوق روی زمین به اندازهی یک متر. |
نکتهی کلیدی: نیوتنمتر برای چرخش است (مانند پیچیدن)، در حالی که ژول برای جابجایی خطی است (مانند هل دادن روی یک خط راست). اگر با آچار پیچی را بچرخانید، کار (ژول) انجام دادهاید، اما آنچه پیچ را محکم میکند، گشتاور (نیوتنمتر) است.
نیوتنمتر در دنیای اطراف ما
گشتاور و یکای آن، فقط در کتابهای فیزیک نیستند. آنها در ابزارها، وسایل نقلیه و حتی بازیهای ما حضور دارند. در این بخش به چند نمونه نگاه میکنیم.
۱. آچارها و پیچگوشتیها: طول دستهی آچار، همان فاصله ($d$) در فرمول گشتاور است. آچار بلندتر، با همان نیرو، گشتاور بیشتری تولید میکند و پیچ سفتتر را راحتتر باز میکند. گاهی روی پیچگوشتیهای الکتریکی یا گشتاورسنجها3 عددی مثل "20 N·m" نوشته شده که نشاندهنده حداکثر گشتاوری است که میتوانند ایجاد کنند.
۲. دوچرخه و فرمان آن: برای چرخاندن فرمان دوچرخه، به گشتاور نیاز دارید. گرفتن انتهای فرمان (افزایش فاصله) باعث میشود راحتتر و با نیروی کمتری فرمان بچرخد. در دندههای دوچرخه نیز، گشتاور بین پدال و چرخ عقب منتقل میشود.
۳. دربها و کلیدهای برق: همانطور که در ابتدا گفتیم، دستگیرهی در، دورترین نقطه از لولا است تا با کمترین نیرو، بیشترین گشتاور را برای باز کردن در ایجاد کند. کلیدهای برق قدیمی اهرم بلندتری داشتند و راحتتر روشن میشدند.
| وسیله/موقعیت | نقطهی چرخش (لولا/محور) | نیرو از کجا اعمال میشود؟ | راه افزایش گشتاور |
|---|---|---|---|
| آچار فرانسه | سر پیچ یا مهره | انتهای دستهی آچار | استفاده از آچار بلندتر یا فشار بیشتر |
| الاکلنگ | تکیهگاه وسط | جسم سنگین یا فردی که در انتها نشسته | نشستن در فاصلهی دورتر از تکیهگاه یا استفاده از وزن بیشتر |
| چرخ گوشت دستی | محور مرکزی چرخ | دستهی کناری | گرفتن دسته از انتهای آن و چرخاندن با نیروی بیشتر |
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاورقی
1گشتاور (Torque): در فیزیک، به مقدار چرخشزایی یک نیرو حول یک محور گفته میشود. معیاری برای سنجش میزان پیچش یا چرخش است.
2بازوی گشتاور (Moment Arm): فاصلهی عمودی خط اثر نیرو تا نقطهی چرخش. هرچه این بازو بلندتر باشد، گشتاور بیشتری با همان نیرو تولید میشود.
3گشتاورسنج (Torque Wrench): نوعی آچار دقیق که میتوان روی آن مقدار گشتاور مشخصی را تنظیم کرد. هنگام سفت کردن پیچ، زمانی که گشتاور به مقدار تنظیمشده رسید، آچار صدا یا علامتی میدهد تا از سفتکردن بیش از حد جلوگیری شود.
