Tork ve statik denge: dik kol, eksen ve iki koşul
Konunun mantığı
Bir kuvvetin döndürme etkisi, hangi eksene göre incelendiğine bağlıdır. Düzlemsel modelimizde eksen sayfaya diktir. Kuvvetin etki çizgisi, kuvvet yönünde uzatılan doğrudur; eksen noktasından bu çizgiye en kısa uzaklık dik kuvvet koludur. Tork büyüklüğü kuvvet ile bu dik kolun çarpımıdır. Uygulama noktasına olan uzaklık ancak kuvvet bu konum doğrultusuna dikse doğrudan kol olur.
Saat yönünün tersini pozitif seçersek, aynı eksene göre ters yönlü döndürme etkileri eksi işaret alır. Kuvvetin etki çizgisi eksenden geçiyorsa o eksene göre tork sıfırdır; kuvvetin kendisinin sıfır olması gerekmez. Yatay bir kolun ucundaki yatay kuvvet buna uygun bir durum olabilir. Tork için N·m yazılır; işin birimiyle aynı boyuta sahip olması bu büyüklüğün enerji olduğu anlamına gelmez.
Statik denge, cismin eylemsiz referans sisteminde hem yer değiştirmeden hem dönmeden kalmasıdır. Burada başlangıçta durgun, düzlemdeki rijit cisimleri inceliyoruz: dış kuvvetlerin vektörel toplamı ve dış torkların toplamı sıfır olmalıdır. Eşit-zıt kuvvetler farklı etki çizgilerindeyse net kuvvet sıfırken net tork kalabilir. Öte yandan bütün kuvvetler bir eksenden geçse bile net kuvvet sıfır değilse yalnız o eksene göre tork sıfır oluşu statik dengeyi kanıtlamaz.
Bilinmeyen destek tepkisinin etki çizgisinden tork almak, o tepkinin torkunu sıfır yaparak hesabı sadeleştirebilir. Bu seçim tepki kuvvetini yok etmez: kuvvet toplamında hâlâ hesaba katılır. Bu derste ideal pim desteğinin kuvvet uyguladığı fakat ayrıca bağımsız bir tutucu moment uygulamadığı açıkça verilir. Gerçek ankastre bağlantı farklı olabilir; her desteğe aynı model uygulanmaz.
Hesapta önce cismi ve ekseni belirle, sonra bütün dış kuvvetleri konumlarıyla listele. Ağırlık ihmal ediliyorsa bunu kullan; ihmal edilmiyorsa verilmiş etki noktasını ekle. Bir bilinmeyeni tork denkleminden bulduktan sonra kuvvet bilançosunu kontrol et. Bu dar giriş bütün kütle merkezi yöntemlerini veya yapı tasarımını kapsamaz; aşağıdaki kurmaca mekanik modeller gerçek düzenek kurma talimatı değildir.
Tork eksene göre F·dik kol ile bulunur. Statik dengede başlangıç durgunluğu yanında hem toplam kuvvet hem toplam tork kontrol edilir; eksenden geçen destek kuvveti torktan silinse de kuvvet toplamında kalır.
Adım adım bir örnek
Kurmaca yatay, ağırlığı ihmal edilen rijit çubuk sol ucu Odan ideal pimle desteklenmiştir. Pim ek tutucu moment uygulamaz. Odan sağa 0,80 mde 24 N aşağı kuvvet; 1,20 mde bilinmeyen F yukarı kuvvet vardır. Başka kuvvet yoktur. Çubuk başlangıçta durgun ve statik dengededir. Destek tepkisi R düşeydir.
O ekseninden başlayıp kuvveti kontrol et
- Saat tersini pozitif al: 1,20F−0,80·24=0.
- F=16 N yukarı bulunur.
- R+16−24=0 olduğundan R=8 N yukarıdır.
Sınır: Pimin ek moment uygulamadığı ve çubuk ağırlığının ihmal edildiği verilmiştir.
Yükün etki noktasından tork al
- 24 N kuvvetin bulunduğu noktaya göre Rnin kolu 0,80 m, Fnin kolu 0,40 mdir.
- −0,80R+0,40F=0; F=2R.
- Kuvvet denkleminde R+2R=24: R=8 N, F=16 N.
Sınır: Yeni eksen aynı durgun rijit cisim için seçilmiştir; kuvvetlerin yönleri ve kolları yeniden yazılır.
İki eksende de destek kuvvetini fiziksel olarak kaldırmadan aynı sonuca nasıl ulaştık?
Hatayı bul
“Pimden tork aldığım için pimin kuvveti sıfırdır; onu düşey kuvvet denklemine de eklemem.” İlk hata nedir?
İlk hatayı göster
İlk hata: Bir eksene göre torkun sıfır olmasını kuvvetin kendisinin sıfır olmasıyla karıştırmasıdır.
Pim kuvvetinin etki çizgisi eksenden geçtiği için o eksene göre kolu sıfırdır. Kuvvet toplamında tepki yine vardır; dengedeki değerini diğer kuvvetlerle buluruz.
Çalışılmış örnekte 24 N yük 0,80 m yerine 0,60 mye taşınırsa, diğer koşullar sabitken F ve R ne olur?
Oya göre 1,20F=24·0,60: F=12 N yukarı. Kuvvet dengesinden R=24−12=12 N yukarı. Yük aynı kalsa da kol değiştiği için kuvvet dağılımı değişmiştir.
Dersin soruları
1Kurmaca yatay kol Odan sağa uzanır. Odan 0,60 m sağdaki aynı noktaya 9 N aşağı ve 12 N sağa kuvvet uygulanır. İstenen yalnız bu iki kuvvetin Odan geçen, sayfaya dik eksene göre toplam torkudur. Saat tersini pozitif alın. Toplam tork kaç N·m olur?
Bu soruda hata mı var?2Yatay sürtünmesiz masa üzerindeki başlangıçta durgun rijit levhaya, aynı düzlemde iki dış kuvvet uygulanıyor: etki çizgileri paralel ve aralarında 0,40 m var; büyüklükler 10ar N, yönler zıt. Masanın normal kuvvetiyle ağırlık birbirini dengeliyor ve masa düzlemine dik eksen yönünde ek tork vermiyor. Başka etki yok. Levhanın statik dengesi için hangi yorum doğrudur?
Bu soruda hata mı var?3Kurmaca 2,0 m yatay rijit çubuk solda ideal pimle tutuluyor; pim bağımsız moment uygulamıyor. Çubuğun kendi 12 N ağırlığı soldan 1,0 mde, ek 18 N aşağı yük 1,5 mde etki ediyor. Sağ uçtaki düşey ip çubuğu yukarı çekiyor. Çubuk statik dengede; başka kuvvet yok. (İp gerilmesi, pimin düşey tepki kuvveti) hangisidir?
Bu soruda hata mı var?Kendini dene
Tüm soruları cevapla. Bitirince puanını ve zorlandığın noktaları göreceksin.
1Kurmaca bir levhada O ekseni sayfaya diktir. Levhaya, O’ya göre 0,50 m sağda ve 0,30 m yukarıda bulunan bir noktada yatay olarak sağa doğru 10 N’luk kuvvet uygulanıyor. Saat yönünün tersi pozitif alınırsa bu kuvvetin O’ya göre torku kaç N·m’dir?
2Kurmaca bir aygıtta bir kuvvetin bir eksene göre torku 12 N·m olarak hesaplanıyor. Hangi yorum doğrudur?
3Kurmaca bir levhada O ekseni sayfaya diktir; saat yönünün tersi pozitiftir. O’dan sağa doğru 0,5 m’de 8 N aşağı ve 1,0 m’de 6 N yukarı kuvvet; O’dan sola doğru 0,4 m’de 5 N aşağı kuvvet vardır. Ayrıca O’dan sağa 0,7 m’deki bir noktaya, etki çizgisi O’dan geçen 10 N’luk yatay bir kuvvet uygulanıyor. O’ya göre toplam tork kaç N·m’dir?
4Kurmaca bir levha başlangıçta durgundur. Levhaya tek bir 15 N’luk kuvvet uygulanıyor ve bu kuvvetin etki çizgisi seçilen O ekseninden geçiyor; başka dış kuvvet yok. Hangi yorum doğrudur?
5Kurmaca bir levhada etki çizgileri düşey ve paralel olan, aralarında 0,60 m bulunan, büyüklükleri 15’er N ve yönleri zıt (biri yukarı, diğeri aşağı) iki kuvvet vardır; aşağı kuvvetin çizgisi yukarı kuvvetinkinin sağındadır. O ekseni önce yukarı kuvvetin çizgisinin 0,20 m soluna konuyor, sonra aynı doğru boyunca 1,0 m soluna kaydırılıyor. Eksen kaydırıldığında O’ya göre net torkun büyüklüğü nasıl değişir ve kaydırılmış eksende kaç olur?
6Kurmaca ağırlığı ihmal edilen yatay bir tahta, tam ortasındaki ideal pimle destekleniyor ve statik dengededir. Pimin 1,2 m solunda 300 N’luk yük, pimin sağındaki bir noktada 400 N’luk yük bulunuyor. (400 N’luk yükün pime uzaklığı; pimin düşey tepki kuvveti) hangisidir?
7Kurmaca 3,0 m’lik yatay çubuk tam ortasındaki ideal pimle tutuluyor; pim bağımsız moment uygulamıyor. Çubuğun kendi 30 N’luk ağırlığı ortada (pimde) etki ediyor; sol uçta (pimden 1,5 m uzakta) 20 N’luk aşağı yük asılı. Pimin sağında düşey bir ip çubuğu yukarı çekiyor. Çubuk statik dengede ve pimin çubuğa uyguladığı düşey kuvvet aşağı doğru 10 N’dur. (İp gerilmesi; ipin pimden uzaklığı) hangisidir?
8Kurmaca bir levha, sürtünmesiz yatay düzlemde kütle merkezinden geçen düşey bir eksen etrafında saat yönünde dönmektedir. Levhaya aynı etki çizgisi üzerinde, eşit büyüklükte ve zıt yönlü iki kuvvet etki ediyor; başka dış etki yok. Hangi yorum doğrudur?
9Kurmaca ağırlığı ihmal edilen yatay çubuk, sol ucundaki O noktasında ideal pimle tutuluyor. O’dan sağa 0,3 m’de bilinmeyen F yukarı kuvvet, 0,5 m’de 36 N’luk aşağı kuvvet vardır; çubuk statik dengede ve pimin tepkisi R düşeydir. Hangi (F; R) çifti hem tork hem kuvvet koşulunu sağlar?
10Pimle desteklenen kurmaca bir çubuğun bilinmeyen kuvvetleri bulunacaktır. Çubuk başlangıçta durgun ve statik dengededir; çubuğun 20 N’luk ağırlığı verilmiş etki noktasında, ip ve yükün konumları bellidir. Hangi çözüm sırası doğrudur?
Aklında kaldı mı?
Dik kuvvet kolu hangi iki geometrik öğe arasında ölçülür?
Seçilen eksen noktası ile kuvvetin etki çizgisi arasındaki en kısa dik uzaklıktır; her zaman uygulama noktasına uzaklık değildir.
Başlangıçta durgun düzlemsel rijit cismin statik dengesi için hangi iki toplam kontrol edilir?
Bütün dış kuvvetlerin vektörel toplamı ve seçilen eksene göre bütün dış torkların toplamı sıfır olmalıdır.
Kaynak ve kontrol durumu
Bu ders Hepnot için hazırlandı; üçüncü taraf soru kitabından soru veya görsel aktarılmadı. Bu, başka içerikle benzerlik olmadığının garantisi değildir.
Branş editörü incelemesi ve müfredat eşleştirmesi sürüyor; bu nedenle ders taslak olarak işaretlidir.
Müfredat için başvurulacak kaynak: MEB öğretim programları.