מומנט כוח

מומנט כוח (הנקרא גם Torque או moment) הוא גודל וקטורי שמאפיין את היכולת של כוח לגרום לסיבוב סביב ציר. וקטור הוא גודל שיש לו גם גודל וגם כיוון. העיקרון הבסיסי הוא מכפלת הכוח באורך הזרוע, המרחק מהציר שבו הכוח פועל. כך, כוח קטן המופעל במרחק גדול יכול להשוות לכוח גדול במרחק קטן. למשל, כוח של 1 ניוטון על מפתח של 30 ס"מ משפיע כמו 3 ניוטון על מפתח של 10 ס"מ. גם נדנדה מסתובבת לפי מכפלת המשקל במרחקו מציר הסיבוב.

המומנט קובע אם תצליחו לסובב אום או לפתוח ברגים. כדי לדעת את השפעת הכוח לא צריך את גודל הכוח לבד ולא את אורך המפתח לבד, צריך את המומנט, כלומר את המכפלה ביניהם. זהו המידע המכריע לגבי הסיבוב.

בניסוח מתמטי המומנט הוא מכפלה וקטורית בין וקטור המיקום r לווקטור הכוח F: τ = r × F. גודלו הסקלרי של המומנט הוא r F sinθ, כאשר θ זו הזווית בין r ל‑F. היחידות הן ניוטון־מטר (N·m). למרות שזה מזכיר יחידות של אנרגיה, לא מודדים מומנט בג'ולים.

ניתן גם להגדיר מומנט כהשינוי בזמן של התנע הזוויתי L: τ = dL/dt. הגדרה זו שקולה לזו שלמעלה והיא מחברת בין מומנט, כוח ותנע.

יש שלושה עקרונות עיקריים, שקבילים עם חוקי ניוטון:
1) שיווי משקל: כדי שגוף יהיה במנוחה מסתובבת, סכום המומנטים עליו צריך להיות אפס: Στ = 0.
2) חוק דינמי: סכום המומנטים שווה למשתתפת של מומנט)Στ = I·α(, כאשר I הוא מומנט ההתמד (moment of inertia, מדד להתנגדות לסיבוב) ו‑α היא התאוצה הזוויתית.
3) פעולה ותגובה: כאשר גוף אחד מפעיל מומנט על שני, השני מפעיל מומנט שווה והפוך בסימן.

העבודה שמבצע מומנט כשגוף מסתובב בזווית θ היא W = τ·θ. זה מקביל ליחס העבודה בכיוון ישר W = F·x.

הקשר בין הספק P, מומנט T ומהירות הסיבוב ω הוא P = T·ω. ביחידות SI ההספק נמדד בוואט, המומנט בניוטון־מטר ומהירות הסיבוב ברדיאנים לשנייה. קיימות גם נוסחאות יחידות שונות להמרה כאשר משתמשים בכוחות סוס וביחידות אימפריאליות.

מומנט כוח הוא איך כוח גורם לחפץ להסתובב. מומנט הוא כוח כפול מרחק. מרחק זה נקרא זרוע, המרחק מהציר שבו הכוח פועל. לדוגמה: דחיפה קטנה רחוק מהציר יכולה לסובב יותר מדחיפה חזקה קרוב לציר. אם תשימו כוח על מפתח ארוך, קל יותר לפתוח ברגים.

נדנדה מסתובבת לפי המשקל שלך ולפי המרחק מהמרכז. זה בדיוק אותו רעיון כמו במפתח: המרחק מחזק או מפחית את האפקט של הכוח.

בפיזיקה כותבים שמומנט הוא מכפלת המרחק בכוח. ביחידות קוראים לזה ניוטון־מטר, שזה כוח כפול מרחק. למרות שזה דומה ליחידות של אנרגיה, לא משתמשים בזה למדידת אנרגיה.

1) כדי שאובייקט יהיה במנוחה אין מספיק שסכום הכוחות יהיה אפס; צריך גם שסכום המומנטים יהיה אפס. זה מבטיח שדברים לא יסתובבו.
2) אם יש מומנט גדול על גוף, הוא יגיב בתאוצה זוויתית (השם הזה אומר כמה מהר הוא ישתנה בסיבוב).
3) כאשר גוף אחד מפעיל מומנט על גוף שני, השני מפעיל מומנט שווה והפוך.

כשגוף מסתובב בזווית, המומנט מבצע עבודה. גם ההספק קשור למומנט ולמהירות הסיבוב. משפחות יחידות שונות משתמשות בהמרות אחרות, אך הרעיון נשאר פשוט: מומנט כפול מהירות עושה הספק.