• No results found

Unit 5: Turning Effect Of Forces

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Unit 5: Turning Effect Of Forces"

Copied!
8
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Unit 5:

Turning Effect

Of Forces 

Unit 5.1 

Moments 

Unit 5.2 

Principle of 

Moments 

Unit 5.3 

Centre of 

Gravity 

Unit 5.4 

Stability

(2)

Learning Outcomes: 

Candidates should be able to: 

(a)  Describe the moment of a force in terms of its turning effect and relate 

this to everyday examples 

(b)  Recall and apply the relationship moment of a force (or torque) = force 

x perpendicular distance from the pivot to new situations or to solve 

related problems 

(c)  State the principle of moments for a body in equilibrium 

(d)  Apply the principle of moments to new situations or to solve related 

problems 

(e)  Show understanding that the weight of a body may be taken as acting at 

a single point known as its centre of gravity 

(f)  Describe qualitatively the effect of the position of the centre of gravity 

on the stability of objects

(3)

Important Concepts

 

1) 

The moment of a force (or torque) is the product of the force and the 

perpendicular distance from the pivot to the line of action of the force. 

** 2)  The Principle of Moments states that when a body is in equilibrium, the sum 

of clockwise moments about a pivot is equal to the sum of anticlockwise 

moments about the same pivot. 

3) 

The centre of gravity of an object is defined as the point through which its 

whole weight appears to act for any orientation of the object. 

4) 

Stability refers to the ability of an object to return to its original position after 

it has been tilted slightly. 

5) 

An object is in stable equilibrium if it returns to its original position when it 

is slightly displaced. 

6) 

An object is in unstable equilibrium if it topples when slightly displaced. 

7) 

An object is in neutral equilibrium if its centre of gravity neither rises nor 

falls, and stays at the same height when the object is slightly displaced. 

**: Definitions you must know

(4)

1) Force at 0cm – 4.0 N – Downward  2) Force R – Upward  3) Force W – Downward  4) Force at 80cm – 2.0 N ­ Downward  4) For each force, identify the direction of the force.  (Upward force / Downward force)  b) Since the metre rule is in equilibrium, we can conclude,  Sum of upward forces = sum of downward forces  R = (4.0 N + w + 2.0 N) = (4.0 N + 1.0 N + 2.0 N) = 7.0 N  5) To solve for the other remaining unknown, equate the  sum of forces in one direction (upwards) with sum of forces  in the opposite direction (downwards).  a) Taking the moments about the pivot,  Sum of clockwise moments = sum of anti­clockwise moments  W x (20 cm) + (2.0 N)(50 cm) = (4.0 N)(30 cm)  W = 1.0 N  3) Applying the principle of moments, generate an equation  involving clockwise moments and anti­clockwise moments  and solve for the unknown force.  Tip: Moments are taken about the pivot in order to obtain an  equation that does not involve both unknowns. Hence the  value of the other unknown can be found.  1) Force at Ocm – 4.0 N –Anti­clockwise  2) Force R – no moments as R is acting directly on the pivot itself  3) Force W – Clockwise  4) Force at point 80cm – 2.0 N – Clockwise  2) For each force, identify the type of moment ( Clockwise /  Anti­clockwise), and classify all the clockwise moments  and anti­clockwise moments respectively.  In this case, the pivot has already been identified in the question.  1) Identify the pivot / hinge / fixed point.  Application to Above Example  Steps

(5)

Worked Example  Problem Solving Technique  To solve for unknown forces,  application of two principles is  required:  •  Principle of Moments.  Moments are taken about the  pivot in order to obtain an  equation that does not involve  both unknowns. Hence the value  of the other unknown can be  found  •  Equating sum of forces in one  direction (upwards) with sum of  forces in the opposite direction  (downwards).  Conditions for Equilibrium  1)  The resultant moment about the pivot is zero, i.e. the Principle of Moments must apply  2)  All Forces acting on it are balanced; i.e. the resultant force is zero

(6)

Examples 

CG of irregular­shaped objects (2­dimensional) 

CG of regular­shaped objects (2­dimensional) 

1)  Uniform metre rule:  Its CG is at the 50 cm mark and a uniform half metre  rule will have its CG at the 25 cm mark  2)         Circular disc:  Its CG is at the centre of the circle  3)        A rectangular laminar  Its CG is at the centre of the laminar  4)       A triangular laminar  Its CG is at the centre of the laminar  ­ For an object with regular shape and uniform density:  Its centre of gravity will be at the center of the object.  ­ Point of CG can lie outside the regular­shaped object. 

Centre of Gravity (CG) – How to Obtain the CG of Different Objects 

Steps taken to obtain the CG of a irregular­shaped (planar) object:  1)  Set up a retort stand at a certain height with a clamp.  2)  Clamp the wooden cock with a pin onto the retort stand.  3)  Puncture 3 small holes at three corners of the planar object.  The holes should be as far apart as possible from each other.  4)  Mark “A”, “B”, “C” beside the3 holes.  5)  Hang the planar object at the pin (hole A)  6)  Tie the plump line next to the planar object. Allow the  plump line to come to a rest and put a mark “ A’ ” on the  planar object where the plump line passes through at the  bottom.  7)  Repeat step 5 to 6 for holes B and C.  8)  Remove the planar object from the pin and draw straight  lines connecting A to A’, B to B’ and C to C’.  9)  The intersecting points of the 3 lines will be the CG of the  irregular­shaped object. 

A’ 

B’ 

C’

(7)

Factors Affecting the Stability of an Object  1)  The base area of the object       2) The height of CG above its base  To Improve the Stability of an Object  1)  Broaden / Widen the base area of the object  2)  Add weights to the base of the object such that the CG becomes lower  When the cone is tilted slightly,  1)  Its centre of gravity neither rises  nor falls; it remains at the same  level above the surface supporting  it,  2)  The lines of action of the two  forces W and R always coincide,  3)  There is no moment provided by  its weight W about the point of  contact C to turn the paper cone.  When the cone is titled slightly,  1)  Its centre of gravity falls and  continues to fall further,  2)  The line of action of its  weight W lies outside the  base area of the cone  3)  The clockwise moment of its  weight W about the point  of contact C causes  toppling.  When the cone is tilted slightly,  1)  Its centre of gravity rises and  then falls back again,  2)  The line of action of its weight  W lies inside the base area of  the cone  3)  The anticlockwise moment of  its weight W about the point  of contact C causes the cone to  return to its original position.  How to describe the stability of the object in terms of the position of its centre of gravity?  Position remains the same when  displaced  CG out of the base when displaced  CG within the base when displaced  Neutral Equilibrium  Unstable Equilibrium  Stable Equilibrium  Stability – 3 Cases of Equilibrium  Clockwise moment  Anticlockwise moment  No moment

(8)

Unit 5:

Turning Effect

Of Forces 

Moments 

Principle of 

Moments 

Centre of 

Gravity 

Stability 

Moment of a force (torque) = F x d  (Nm)  where F = Force (N)  d  = perpendicular distance from the line of  action of the force to the pivot  (m) 

~ Conditions for equilibrium 

~ How to solve related questions 

by applying the Principle of 

Moments 

~ How to determine the CG of 

regular­shaped / irregular­shaped 

objects 

~ 3 Cases of Equilibrium 

~ How to describe the stability of an object in 

terms of the position of its CG 

~ Factors affecting stability of an object 

~ How to improve the stability of an object

References

Related documents

To define the magnetic dipole moment of a loop of current-carrying wire and write the torque on the loop in terms of that vector and the external magnetic field.. The current

For more information about off -peak, heat pumps and electric water heaters, contact Member Services at 800-788-7784 or email [email protected].. Geothermal

Basics, Vehicle drag and types, Various types of forces and moments, effects of forces and moments, various body optimization techniques for minimum drag, Principle

The physical and chemical properties of the antifungal coating of tobacco extract made from corn coating for post-harvest damage on harumanis mangoes were obtained by weight

• Pilot program in 1992 set aside certain EB-5 visas for investors through Regional Centers... EB-5 New

To investigate how travelling young Chinese consumers attach meanings to familiar brands in the UK, this research engages with the literature on brand consistency and brand meanings,

Research Question 2 and the resulting findings discussed throughout this Chapter are important because previous empirical research on young people and

It is clear that even with static balance, centrifugal force will produce a turning moment about the centre of gravity for the system.. In this simple case, the problem is