支點計算機
找出理想槓桿上兩側負載之間的平衡點。
支點位置
輸入兩個作用力及其間距,找出力矩平衡時的支點。
關於支點位置與槓桿平衡
支點是槓桿旋轉所圍繞的樞軸。向下的力分別作用於支點兩側時,只有兩者相對於支點的力矩相等,槓桿才會平衡。本計算機依兩個作用力及其已知間距找出平衡點,假設槓桿為剛體且無自重、作用力垂直於槓桿、支點無摩擦。
設左側力為 F1、右側力為 F2、總間距為 L,平衡條件為 F1d1 = F2d2 且 d1 + d2 = L。解得 d1 = F2L/(F1 + F2),d2 = F1L/(F1 + F2)。較大的力必須靠近支點,較小的力則透過較長的力臂作用。兩力相等時,支點恰好位於中點。
可依標示以牛頓輸入力、以公尺輸入間距。只要兩個力使用相同單位、所有長度使用相同單位,改用其他單位也不影響幾何比例。結果的長度單位原則上與輸入一致,但介面標示公尺以避免混用。若資料為質量,請各自乘以相同的重力加速度;由於此共同因子會抵消,當地重力相同時,也可將相同單位的質量視為成比例的負載來比較。
真實槓桿還有其他因素:梁的自重作用於重心,外力可能傾斜,軸承會產生摩擦,支承也有寬度。每個額外負載都帶來有正負號的力矩,若未正確合併力與力矩,就不能套用此雙負載公式。本工具適用於蹺蹺板、簡單平衡梁、基礎靜力學題目及初步配置。為結構性起重設備選用零件或核准安全運作前,還須納入自重、動載重、材料強度、支承反力及適當的安全係數。
支點位置範例
| 輸入 | 距左右作用力的距離 | 說明 |
|---|---|---|
| 左側 100 N;右側 50 N;相距 3 m | 1 m;2 m | 支點較靠近左側較大的力。 |
| 左側 80 N;右側 120 N;相距 5 m | 3 m;2 m | 右側較大的力對應較短的力臂。 |
| 左側 200 N;右側 200 N;相距 4 m | 2 m;2 m | 相同負載在中點達成平衡。 |
如何找出支點
- 以相同的力單位測量兩側作用力。
- 測量兩個作用點之間的直線距離。
- 輸入三個正值,選擇「計算支點位置」。
- 從任一負載作用點量取結果所示距離,設置支點。
常見問題
為什麼支點較靠近較重的負載?
力矩等於力乘以垂直距離。較大的力需要較短的力臂,才能與較小的力透過較長力臂產生的力矩相等。
可以輸入質量而非力嗎?
兩者承受相同重力時,換算因子會抵消,因此可使用成比例的質量。嚴格依 SI 計算時,請先將質量換算為以牛頓表示的力。
槓桿本身的重量有影響嗎?
有,真實槓桿的重量會在重心產生額外力矩。本雙力計算機假設自重可忽略,或由獨立支承承擔。
作用力有傾角時怎麼辦?
只有垂直於槓桿的分力會產生力矩。使用此簡化計算前,請先分解各個傾斜作用力。
兩個力相等時會如何?
兩側作用力相等時,需要相等的力臂才能達成轉動平衡,因此支點位於兩個作用點的中點。