گشتاور چیست؟  انواع گشتاور ها و توضیحاتشان

گشتاور یا همان (torque)، یکی از مهم ترین و کاربردی ترین مفاهیم در علم فیزیک است. این مفهوم، از زمان های گذشته تا به امروز، توانسته به میزان قابل توجهی در زندگی انسان ها تاثیر بگذارد و در نهایت، سازه های متعددی با استفاده از این مفهوم فیزیکی ساخته شود. سازه هایی که هر کدام از آن ها، به میزان قابل توچهی در زندگی انسان ها تاثیر گذاشته است. گشتاور یا همان عاملی است که به طور مداوم در صنعت های مختلف به کار برده می شود و امروز در ادامه این مطلب قصد داریم تا همه چیز را درباره آن بیان کنیم.

اگر با مفهوم گشتاور آشنا نیستید و یا اطلاعات آن چنانی از آن ندارید، توصیه می کنیم مطالعه ادامه این مطلب را از دست ندهید و با این مفهوم فیزیکی پر کاربرد آشنا شوید. پس با ما در ادامه مطلب همراه باشید.

گشتاور چیست

گشتاور یک مفهوم فیزیک است که برای توصیف چرخش اجسام استفاده می‌شود. گشتاور تمایل یک نیرو برای دوران جسمی حول یک محور گشتاور گفته می‌شود. هنگامی‌که نیروی داریم طبق قانون نیوتن شتاب‌داریم و هنگامی‌که پای گشتاور در میان است، شتاب زاویه‌ای معنا پیدا می‌کند. اندازه گشتاور بر اساس برآیند دو بردار نیرو و فاصله به دست می‌آید. بردار نیرو نشان‌دهنده بزرگی و جهت نیروی اعمال‌شده بر بدنه است، درحالی‌که بردار فاصله نشان‌دهنده فاصله محور چرخش تا نقطه اعمال نیرو است. درنتیجه گشتاور یک کمیت برداری است و جهت این بردار به جهت نیرو به بردار بستگی دارد. گشتاور را با نماد M می‌شناسند و در قوانین فیزیک τ بیان‌گر میزان نیروی گشتاور است.

به بیان بهتر، باید اشاره کنیم که گشتاور، به نیرویی گفته می شود که سبب می شود تا شتاب زاویه ای بیشتر شود. با توجه به این تعریف فیزیکی، می توان دریافت که این مفهوم، دارای جهت بوده و برای مشخص نمودن آن از بردار ها استفاده می شود و بردار های جهتی، نشان دهنده مسیر حرکت گشتاوری جسم است. برای تعین گشت آور ابزار های متنوعی وجود دارد.

مثالی از گشتاور

انسان ها در طول روز، به طور مداوم با اشیاءی سر و کار دارند که با کمک نیروی گشتاور حرکت می کنند. ساده ترین و ابتدایی ترین مثال برای توضیح گشتاور، در است. همانطور که تا به حال دیده اید، در اتاق ها، در هنگام باز و بسته شدن، به صورت چرخشی حرکت می کنند.

گشتاور، همان نیرویی است که سبب چرخش در اتاق می شود. به بیان دقیق تر، هر دری، به منظور باز و بسته شدن، نیاز به نیرویی دارد که به لولا ها وارد شود. این نیرو، سبب چرخش لولا ها شده و در نهایت، باز و بسته شدن در ها را به همراه دارد.

انواع گشتاور

گشتاور ها، دارای انواع مختلفی می باشند. از جمله انواع گشتاور ها می توان به گشتاور استاتیک یا پویا اشاره کرد. اما هر کدام از این گشتاور ها چیستند و چه مفهومی دارند؟

گشتاورنیرو یا دینامیکی

گشتاور پویا به نوعی از نیروی گشتاوری گفته می شود که می تواند شتاب زاویه ای تولید کند. در واقع باید اشاره کنیم که این نوع گشتاور، می تواند شتاب زاویه ای تولید کند. محور محرک اتومبیل‌ها که در حال شتاب گرفتن است، گشتاور دینامیکی منتقل می‌کند، این گشتاور به ممان یا گشتاور نیرو نیز معروف است. مثال  از این نوع ا گشتاورها بدر اطراف ما بسیار وجود دارد و حتی شما در طول روز به میزان قابل توجهی با آن ها رو به رو می شوید.

گشتاور استاتیک

گشتاور استاتیک، به نوع دیگری از گشتاور ها گفته می شود که در آن، هیچ مفهومی تحت عنوان شتاب زاویه ای وجود ندارد. گشتاور استاتیک عاملی است که در طول روز به میزان قابل توجهی با آن رو به رو شده اید.

به عنوان مثال باید اشاره کنیم که هل دادن دری که بسته است، مفهوم گشتاور استاتیک را بیان می کند. در واقع در این نوع از گشتاور ها نیروی وارد شده، سبب ایجاد شتاب زاویه ای نمی شود.درست مانند در بسته که با وارد کردن نیرو در جای خود نمی چرخد. . در واقع در این نوع از گشتاور‌ها نیروی وارد شده، باعث ایجاد شتاب زاویه ای نمی شود.درست مانند در بسته که با وارد کردن نیرو در جای خود نمی چرخد یا دوچرخه سواری که با سرعت ثابت رکاب می‌زند، دارای گشتاور استاتیک است چون شتاب حرکت آن برابر صفر است.

محاسبه بردار نیروی گشتاور

به طور کلی، واحد اندازه گیری گشتاور ها، نیوتن متر (N/M) می باشد. البته نا گفته نماند که گشتاور ها با واحد های مختلفی سنجیده و معرفی می شوند. یکی دیگر از واحد های اندازه گیری گشتاور، پوند فوت است. (ft-lb و یا foot-pound) اما براساس قونین فیزیک مقدار بردار گشتاور را براساس فرمول زیر محاصبه می‌کنیم: 

f: برابر است با نیروی وارده به جسم و r: برابر است با طول بازوی که به نیروی گشتاور اعمال شده است و  مقدار زاویه سینوس: برابر است با زاویه بین نیروی وارده (f) با طول نیروی وارده(r)

مطابق این قانون هرگاه انگشت دست راست در جهت وارد شدن نیرو قرار بگیرند، انگشت شست در جهت گشتاور وارد شده است. در محاصبه بردار نیروی گشتاور ما با سه زاویه مهم برخورد می‌کنیم که در ادامه آن را بررسی می‌کنیم.

زاویه‌ها در محاسبه گشتاور

هنگامی که نیرو  با هیچ زاویه‌ای به گشتاور وارد می‌شود، مقدار زاویه برابر با صفر است در نتیجه هیچ دوارنی رخ نمی‌دهد.

دومین حالت هنگامی است که بردار نیرو f و بردار r هم جهت و خلاف یکدیگر هستند. در این هنگام زاویه برابر 180 است در نتیجه سیسنوس این زاویه نیز صفر است و هیچ دورانی رخ نمی‌دهد.

در حات سوم زاویه برابر 90 است در این حات نیرو f و مقدار r بر یکدیگر عمود هستند  و مقدار بردار  گشتاور به حداکثر خود می‌رسد یعنی  τ=rf

تعادل گشتاور 

برای اینکه جسمی از لحاظ استاتیکی در تعادل باشد باید برآیند نیروها و گشتاورهای وارده  بر جسم برابر صفر باشد، در واقع این همان قانون اول نیتون برای اجسام دوار است.

برای صفر شدن مقدار برآیندهای گشتاور باید مجموع گشتاورها جهت عقربه‌های ساعتبا مجموع گشتاورهای‌های خلاف عقربه‌های ساعت دقیقا برابر باشد. در نتیجه جسمی که ثابت است تا زمانی که به آن گشتاور خارجی وارد نشود همچنان ثابت است و جسمی که با سرعت زاویه‌ای ثابت در حال حرکت است تا وقتی که به آن گشتاوری وارد نشود با سرعت ثابت خود حرکت می‌کند.

نتیجه گیری

گشتاور عاملی است که با چرخش اجسام می‌شود. این مفهوم با نام ممان نیرو نیز شناخته می‌شود. ابتدا تلاش کردیم به درک درستی از نیروی گشتاور برسیم، سپس با گشتاور استاتیک و گشتاور نیرو آشنا شده‌ایم. بعد از آن به مفهوم گشتاور و نحوه‌‌ی محاسبه آن در علم فیزیک پرداختیم و سه گشتاور زاویه‌ای مهم را بررسی کردیم و در پایان بحث راجع به مفهوم تعادل گشتاور صحبت کردیم.