رابطه میان نیرو (F), گشتاور(τ), و بردارهای ممان (p و L) در یک سیستم در حال چرخش.
عامل مؤثر در گشتن هر جسم به دور محوری را گَشتاوَر یا مُماننیرو مینامند.
گشتاور یک کمیت فیزیکی است در حرکت چرخشی که به بزرگی نیرو و مسیر و مکان اثر نیرو بستگی دارد. گشتاور یک کمیت برداری هست.
حاصلضرب خارجی بردار مکان نقطه اثر نیرو در بردار نیروی وارد بر یک نقطه را گشتاور آن نیرو (حول مبدأ) گویند.
همان طور که از تعریف بر میآید، گشتاور کمیت نسبی بوده و نسبت به یک نقطه (مبدا) سنجیده میشود.
دید کلی
• آیا تابحال به این فکر کردهاید که چرا آچار بلند مهره محکم را آسانتر باز میکند؟
• چرا احتمال واژگون شدن یک ماشین مسابقه از یک ماشین معمولی کمتر است؟
برای پاسخگویی به این سؤالها باید ببینیم نیروها چگونه میتوانند باعث چرخش شوند. به عنوان مثال در نظر بگیرید میخواهید وارد اتاقی شوید، برای اینکار نیرویی عمودی بر در وارد میکنید، در حول لولا (محور) شروع به چرخش میکند و باز میشود هر چه بزرگتر باشد در راحت تر باز میشود. اگر بار دیگر همین نیرو را به نقاط دورتر در که به لولا نزدیکترند وارد کنید در براحتی باز نخواهند شد، به این ترتیب نتیجه میگیریم که هر چه فاصله نقطه اثر نیرو از محور چرخش دورتر باشد و نیز هر چه اندازه نیروی وارد بر در بیشتر باشد در راحت تر باز میشود.
خصوصیات گشتاور نیرو
• گشتاور نیرو کمیتی برداری است و مقدار بردار گشتاور نیرو برابر است با حاصلضرب نیرو در فاصله عمودی آن از محوری که جسم به دور آن میگردد.
• گشتاور نیرو با حرف Mنمایش داده میشود.
• فاصله عمودی نیرو از نقطهای که جسم حول آن میگردد را بازوی گشتاور مینامند (d).
•نقطه چرخش را میتوان روی تکیه گاه جسم یا روی محور چرخش جسم در نظر گرفت.
•رابطه گشتاورنیرو (مقدار نیرو × بازوی گشتاور(.
•یکای گشتاور نیرو ، نیوتن متر (Nm) است.
روش دیگر محاسبه گشتاور نیرو
برای محاسبه گشتاور نیرو میتوانیم نیروی را به دو مؤلفه عمود بر هم تجزیه کنیم، بطوری که یکی از مؤلفهها از محور دوران یا گذشته و دیگری عمود بر این محور باشد. حال نیروی را به دو مؤلفه و روی این دو محور تجزیه میکنیم، گشتاور نیروی برابر برآِیند گشتاورهای دو نیروی - است. پس گشتاور هر یک از نیروهای را محاسبه میکنیم، برآیند این دو گشتاور، گشتاور کل را تشکیل میدهد. اما بازوی گشتاور نیروی برابر صفر است.
علامت گشتاور نیرو
اگر گشتاور نیرو ، جسم را در جهت مثلثاتی دوران دهد علامت آن مثبت و اگر در خلاف جهت مثلثاتی دوران دهد علامت آن را منفی در نظر میگیرند.
البته در تعیین جهت گشتاور می توان به دلخواه عمل کرد ولی صحیح این است که در جهت پاد ساعت گرد مثبت و درجهت ساعت گرد منفی و به این نکته توجه کنید که در طول مسئله جهت گشتاور را یکسان در نظر بگیرید.
گشتاور صفر
نیروهایی که امتداد آنها از نقطه عبور میکند گشتاور نیرویی نسبت به این نقطه ندارند. بنابراین نیرویی که تکیه گاه بر میله وارد میکند دارای گشتاور صفر میباشد.
قانون گشتاورها
در یک جسم متعادل ، جمع گشتاورهای پاد ساعتگرد با جمع گشتاورهای ساعتگرد ، حول هر نقطه دلخواه برابر است.
تعادل
جسمی را در حال تعادل گویند که هر دو شرط زیر درباره آن درست باشد:
• برآیند نیروهای وارد بر آن صفر باشد.
• جمع گشتاور نیروهای ساعتگرد حول هر نقطه ، برابر جمع گشتاور نیروهای پاد ساعتگردحول همان نقطه باشد.
به کمک معادلههای مربوط به روش فوق میتوان اندازه نیرویی مجهول ، یا فاصله نقطه اثر آنها از نقطه چرخش را حساب کرد. برای انجام این کار:
• جهتهایی را انتخاب کنید که معادلههای نیروها را آسان میکنند. برای مثال برآیند نیروهای رو به بالا و برآیند نیروهای رو به پایین همیشه باهم برابرند.
• نقطه چرخش را انتخاب کنید که محاسبه گشتاورها را آن میسازد، اگر بیش از دو نیرو وجود دارد نقطه چرخش را جایی انتخاب کنید که یکی از نیروها در آنجا به جسم وارد میشود، در این صورت گشتاور نیرو حول آن نقطه چرخش صفر میشود، بنابراین محاسبه سادهتر خواهد شد.
جفت نیرو
دو نیرو که اثر چرخش یکدیگر را خنثی میکنند جفت نیرو نام دارند و شرط زیر را دارند:
• اندازه آنها برابر و جهت آنها مخالف است.
• بر روی یک خط راست عمل نمیکنند.
• گشتاوری بر جسم وارد میکنند و بنابراین تمایل دارند که آنرا بچرخاند.
• برآیند آنها صفر است.
• اندازه گشتاور نیرو (جفت نیرو) برابر است با حاصلضرب اندازه یکی از نیروها ضربدر فاصله دو نیرو از هم.