گشتاور یا لنگر نیرو چیست؟
گشتاور (Torque) که در مهندسی با نام «لنگر نیرو» نیز شناخته میشود، معیاری برای سنجش تمایل یک نیرو برای چرخاندن یک جسم حول یک محور است. به زبان ساده، همانطور که نیرو باعث حرکت خطی (هل دادن یا کشیدن) میشود، گشتاور باعث حرکت چرخشی میشود. وقتی پیچی را با آچار سفت میکنید یا دربی را باز میکنید، در حال اعمال گشتاور هستید. هرچه دسته آچار بلندتر باشد (فاصله بیشتر)، چرخاندن پیچ راحتتر خواهد بود؛ این دقیقا مفهوم فیزیکی گشتاور است.
فرمول محاسبه گشتاور
در حالت کلی، اندازه گشتاور برابر است با حاصلضرب بزرگی نیرو در فاصله عمودی خط اثر نیرو تا محور چرخش:
τ = F × d- τ= گشتاور (N·m)
- F= نیرو (Newton)
- d= فاصله/بازو (Meter)
* نکته دقیق علمی: فرمول کامل به صورت $\tau = r F \sin(\theta)$ است. اگر نیرو عمود بر بازو وارد شود ($\theta=90^\circ$)، سینوس برابر ۱ شده و فرمول به شکل ساده بالا در میآید.
مثالهای واقعی و کاربردی
۱. تعویض لاستیک خودرو
فرض کنید برای باز کردن پیچ چرخ پراید، نیروی ۴۰۰ نیوتنی به انتهای آچاری به طول ۳۰ سانتیمتر (۰.۳ متر) وارد میکنید. گشتاور تولید شده برابر با ۱۲۰ نیوتنمتر خواهد بود که برای باز کردن پیچ کافی است.
۲. باز کردن درب
دستگیره در همیشه در دورترین نقطه نسبت به لولا نصب میشود. اگر دستگیره وسط در بود، بازوی گشتاور ($d$) نصف میشد و شما مجبور بودید برای باز کردن همان درب، دو برابر نیرو وارد کنید.
۳. الاکلنگ پارک
اگر کودکی ۲۰ کیلوگرمی (۲۰۰ نیوتن) در فاصله ۲ متری مرکز الاکلنگ بنشیند، گشتاوری معادل ۴۰۰ نیوتنمتر ایجاد میکند. برای تعادل، فردی سنگینتر باید در فاصله نزدیکتر بنشیند.
خطاهای رایج محاسباتی
- واحد فاصله: مهمترین خطا استفاده از سانتیمتر به جای متر است. فرمول استاندارد حتماً به متر نیاز دارد (۵۰ سانتیمتر = ۰.۵ متر).
- زاویه نیرو: این ابزار فرض میکند نیرو عمود بر بازو است. اگر نیرو کج وارد شود، گشتاور کمتری تولید میکند (باید در سینوس زاویه ضرب شود).
- تفاوت با کار (Work): واحد گشتاور و کار هر دو $N \cdot m$ است، اما جنس آنها متفاوت است. کار انرژی است (ژول)، اما گشتاور یک کمیت برداری چرخشی است.
- تشخیص محور چرخش: در مسائل پیچیده، تعیین دقیق نقطه اتکا (Pivot Point) برای محاسبه فاصله $d$ حیاتی است.