Moment sile

🎯 Cilj lekcije
  • Objasniti da sila pored promjene kretanja može i da obrne tijelo oko ose.
  • Odrediti krak sile kao rastojanje od ose obrtanja do pravca djelovanja sile.
  • Izračunati moment sile po obrascu M = F·l i izraziti ga u N·m.
  • Objasniti zašto sila koja djeluje kroz osu ima moment nula.

1. Sila može i da obrne tijelo

Gurni vrata jednakom silom okomito na njihovu površinu: blizu šarki teže ih otvaraš, a na kvaki lakše. Da dobiješ isto obrtno djelovanje blizu šarki, potrebna je veća sila. Razlika nije u sili, nego u mjestu na kojem sila djeluje. Sila koja ne prolazi kroz osu obrtanja ima obrtno djelovanje.

Istu pojavu vidiš kod ključa za matice: kratka ručica traži veliku silu, duga ručica malu. Kod volana, slavine i makaza ponavlja se isto pravilo: djelovanje sile dalje od ose obrtanja je efikasnije.

Osa obrtanja je prava oko koje se tijelo obrće. Kod vrata je to šarka, kod ključa sredina matice, kod volana sredina volana. Mjera obrtnog djelovanja sile zove se moment sile i označava se sa M.

2. Krak sile i moment

Krak sile (l) je najkraće rastojanje od ose obrtanja do pravca djelovanja sile — dakle dužina normale od ose na pravac sile. Nije isto što i rastojanje od ose do hvatišta, osim kada sila djeluje pod pravim uglom na tijelo; u školskim zadacima najčešće je upravo tako.

M = F · l   →   jedinica: N · m

Moment je veći ako je sila veća ili ako je krak veći. Zato se vrata otvaraju za kvaku, a ne uz šarku. Jedinica momenta sile je njutn metar (N·m) — ne miješaj je s njutnom, jedinicom sile.

VeličinaOznakaJedinicaŠta pokazuje
silaFNkoliko jako djelujemo
krak silelmkoliko daleko od ose djelujemo
moment sileMN·mkoliko jako obrćemo tijelo

Moment ima i smjer obrtanja. Dogovorno ga opisujemo kao obrtanje u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od njega. Dva momenta jednakih iznosa i suprotnih smjerova mogu se poništiti — tako se, na primjer, drže vrata kada su otvorena pod pravim uglom i pridržana sa obje strane.

💡 Zapamti Moment nije „vektorska sila“, nego mjera obrtanja. Isti moment možeš dobiti malom silom na velikom kraku ili velikom silom na malom kraku: 10 N na 0,8 m daje isto što i 40 N na 0,2 m — oba 8 N·m.

Sila i moment sile: poređenje

Sila i moment se često pomiješaju, ali opisuju različite efekte. Sila mijenja brzinu tijela ili ga deformiše. Moment mijenja obrtanje tijela oko ose. Ista sila može imati oba efekta, zavisno od toga gdje i u kojem smjeru djeluje.

OsobinaSila FMoment sile M
Šta mijenjabrzinu tijela ili oblik tijelaobrtanje tijela oko ose
Od čega zavisiod iznosa i pravcaod sile i kraka (M = F · l)
Jedinicanjutn (N)njutn metar (N·m)
Primjerguranje kutije po poduotvaranje vrata za kvaku

3. Kvaka, ključ i vrata

Vrata. Kvaka je uvijek postavljena daleko od šarke, obično na suprotnom kraju vrata. Krak je tada najveći, pa je za otvaranje dovoljna mala sila. Kada bi kvaka bila uz šarku, trebala bi ti ogromna sila.

Ključ za matice. Produžna ručica povećava krak. Ako je krak dva puta veći, za isti moment treba dva puta manja sila. Zato mehaničari koriste duge ključeve za čvrsto stegnute matice.

Sila kroz osu. Ako sila djeluje tačno kroz osu obrtanja (ili duž pravca koji prolazi kroz osu), krak je nula i moment je nula. Guranje vrata tačno u šarku neće ih otvoriti — sila se prenosi na šarku i ne stvara nikakvo obrtanje.

l = 0  ⇒  M = F · 0 = 0 N·m

4. Isprobaj: vrata i moment

Animacija kvalitativno prikazuje obrtno djelovanje sile na vrata koja su u početku mirovala. Vrijeme i brzina otvaranja nisu u razmjeri; za tačan opis kretanja trebalo bi zadati i inertnost vrata i otpor šarki.

Vrata gledana odozgo. Mijenjaj silu i krak (položaj na kojem djeluješ) i posmatraj kako se vrata otvaraju. Postavi krak na 0 m — sila tada djeluje kroz osu i vrata se ne pomjeraju.

zid smjer otvaranja l = 0,80 m F = 40 N osa obrtanja M = 32,0 N·m Vrata se otvaraju suprotno od kazaljke na satu. Pogled odozgo: sila je okomita na vrata; krak l mjeriš od ose.

vrata sila F krak l osa obrtanja

M = F · l = 40 N · 0,80 m = 32,0 N·m. Krak je velik, pa je moment velik i vrata se lako otvaraju.

Izazov: otvori vrata manjom silom

Vrata posmatraš odozgo. Prvo predvidi hoće li izabrani potisak dati moment manji od, jednak ili veći od 8 N·m. Pomjeri hvatište i promijeni smjer sile, pa provjeri. Za krak koristi najkraće, okomito rastojanje od šarke do pravca sile.

1. Podesi potisak i predvidi

Narandžasta strelica pokazuje silu, a tačka njeno hvatište. Skala ispod vrata pokazuje rastojanje od šarke. Nakon provjere otkriva se ljubičasti, okomiti krak.

2. Uporedi rastojanje i okomiti krak

Potisak na vrata, pogled odozgoRastojanje do hvatišta očitaj na skali ispod vrata. Nakon provjere ljubičasta linija pokazuje najkraće rastojanje šarke od pravca sile.šarkarub vrata→ sila F i njen pravac (isprekidano)ljubičasto: okomiti krak l00,20,40,60,81 m

3. Provjeri i poredi pokušaje

Ciljni moment: 8 N·m. Rezultat se otkriva nakon provjere.

Predvidi rezultat pa isprobaj potisak.
PotisakF / NKrak l / mMoment M / (N·m)
Još nema pokušaja. Podesi potisak, odaberi predviđanje i pritisni „Isprobaj potisak“.

Razmjer položaja je 200 slikovnih jedinica za 1 m, a dužina strelice sile je 5 slikovnih jedinica za 1 N. Model poredi momente, ne računa brzinu otvaranja. Novi izazov: postigni 8 N·m najmanjom mogućom silom. Možeš li to postići ako potiskuješ duž vrata?

5. Korak po korak: izračunaj moment sile

Zadatak: „Na kvaku vrata djeluje sila 30 N pod pravim uglom na vrata. Kvaka je 0,8 m od šarke. Koliki je moment sile?“

F=30 N Sila je podatak iz zadatka; djeluje na vrata, na mjestu kvake.
l=0,8 m Krak je rastojanje od ose obrtanja (šarke) do pravca sile. Sila je okomita, pa je to rastojanje do kvake.
M=F · l Zapiši obrazac prije uvrštavanja — tako se vidi šta računaš.
M=30 N · 0,8 m Uvrsti iznos sile i krak, s jedinicama.
M=24 N·m Jedinica je N·m jer se množe njutni i metri. Smjer obrtanja odredi iz skice. Sam iznos sile i krak ne govore na koju će se stranu vrata obrtati.
provjera⇒≈ 24 N·m, red veličine dobar Moment je manji od 100 N·m, što odgovara ljudskoj snazi na vratima — smisleno.

6. Riješeni primjeri

Dva tipa zadatka: izračunavanje momenta i određivanje sile ili kraka iz poznatog momenta. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.

Tip 1: izračunaj moment

Primjer 1: sila na vratima

Na vrata djeluje sila 20 N pod pravim uglom, na rastojanju 0,5 m od šarke. Koliki je moment?

F=20 N Sila djeluje na vrata, okomito na njihovu površinu.
l=0,5 m Krak mjerimo od ose obrtanja (šarke) do pravca sile.
M=F · l = 20 · 0,5 Množimo iznos sile i krak; oba podatka moraju biti u osnovnim jedinicama.
M=10 N·m Rezultat je u njutn metrima, ne u njutnima.
provjera⇒10 N·m je umjeren moment Dvostruko veća sila ili dvostruko veći krak dali bi dvostruko veći moment.

Primjer 2: ključ za matice

Mehaničar djeluje na ključ silom 40 N okomito na ručicu, na rastojanju 0,15 m od ose matice. Koliki je moment?

F=40 N Sila djeluje na kraju ručice, okomito na nju.
l=0,15 m Krak je kratak, pa je i moment manji nego kod duge ručice.
M=40 · 0,15 Uvrštavamo iznose u osnovnim jedinicama.
M=6 N·m Za tvrdo stegnutu maticu to je malo — zato se koristi duži ključ.
provjera⇒6 < 10 N·m Manji krak uz malo veću silu daje manji moment nego u prvom primjeru — očekivano.

Primjer 3: dva načina, isti moment

Sila 30 N djeluje na kraku 0,4 m. Koliki moment daje? Kolikom silom bi isti moment dobio na kraku 0,8 m?

M₁=30 · 0,4 = 12 N·m Prvi slučaj: sila djeluje na manjem kraku.
uslov=M₂ = M₁ = 12 N·m Tražimo isti obrtni efekat, dakle isti moment.
F₂=Ml₂ = 120,8 Iz M = F·l izrazimo silu: moment podijelimo krakom.
F₂=15 N Duplo veći krak traži duplo manju silu za isti moment.
provjera⇒15 · 0,8 = 12 N·m Množenjem se vraća polazni moment, pa je račun tačan.

Tip 2: od momenta do sile ili kraka

Primjer 1: kolika sila treba

Za otvaranje vrata potreban je moment 30 N·m. Na raspolaganju je krak 0,75 m. Kolika sila treba?

M=30 N·m Traženi obrtni efekat je poznat.
l=0,75 m Krak je rastojanje od šarke do mjesta na kojem djelujemo.
F=Ml = 300,75 Iz obrasca M = F·l izrazimo silu.
F=40 N Dovoljna je sila od 40 N — kao težina torbe od 4 kg.
provjera⇒40 · 0,75 = 30 N·m Uvrštavanjem sile natrag dobija se traženi moment.

Primjer 2: koliki krak treba

Raspolažemo silom od 20 N, a potreban je moment 8 N·m. Koliki krak moramo imati?

M=8 N·m Potrebni moment je zadat.
F=20 N To je sila kojom možemo djelovati.
l=MF = 820 Krak dobijemo kada moment podijelimo silom.
l=0,4 m Dovoljno je djelovati 40 cm od ose obrtanja.
provjera⇒20 · 0,4 = 8 N·m Krak mora biti mjeren okomito na pravac sile.

Primjer 3: sila kroz osu

Dječak gura vrata silom 100 N tačno u šarku. Koliki je moment te sile i zašto vrata ne reaguju?

F=100 N Sila je velika, ali to samo po sebi nije dovoljno za obrtanje.
l=0 m Pravac sile prolazi kroz osu obrtanja, pa je normalno rastojanje nula.
M=F · l = 100 · 0 = 0 N·m Moment je nula bez obzira na to koliko je sila velika.
posljedica⇒vrata se ne obrću Sila se prenosi na šarku i ne stvara nikakvo obrtanje.
pouka⇒djeluj dalje od ose Ista sila na kraku od 0,8 m dala bi moment od 80 N·m.
⚠️ Česte greške
  • Moment u njutnima. Moment se izražava u N·m, a sila u N. Zapis „M = 24 N“ je netačan.
  • Pogrešan krak. Krak nije rastojanje od ose do hvatišta po tijelu, nego najkraće rastojanje od ose do pravca sile. Ako sila djeluje koso, krak je manji od rastojanja do hvatišta.
  • „Veća sila uvijek znači veći moment.“ Sila od 100 N na kraku 0 m daje moment nula, a sila od 10 N na kraku 1 m daje 10 N·m.
  • Zaboravljen smjer obrtanja. Moment ima smjer: dva momenta jednakih iznosa i suprotnih smjerova se poništavaju, pa je važno znati na koju stranu sila obrće tijelo.

✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)

1. Koja je jedinica momenta sile?

2. Sila 20 N djeluje okomito na vrata na 0,5 m od šarke. Koliki je moment?

3. Gdje treba djelovati na vrata da ih najlakše otvoriš?

4. Sila od 80 N djeluje tako da njen pravac prolazi kroz osu obrtanja. Koliki je moment?

7. Primijeni i objasni

Dodatni zadatak (sila i moment): Kutiju guraš silom 20 N, pa ona klizi po podu. Vrata zatvaraš istom silom 20 N, normalno na vrata, na krak 0,8 m. (a) Koja veličina opisuje promjenu kretanja kutije, a koja promjenu obrtanja vrata? (b) Izračunaj moment sile za vrata. (c) Koliki bi bio moment da ista sila djeluje na krak 0,05 m, blizu šarki?
Provjeri rješenje i obrazloženje

(a) Sila 20 N mijenja brzinu kutije (translacija), a moment sile mijenja obrtanje vrata oko šarki. (b) M = F · l = 20 N · 0,8 m = 16 N·m. (c) M = 20 N · 0,05 m = 1 N·m. Ista sila daje šesnaest puta manji moment, jer je krak šesnaest puta manji. Zato se vrata otvaraju za kvaku, a ne uz šarku.

Samostalan zadatak: Vrata su široka 0,9 m. Objasni i izračunaj: koliki moment daje sila 30 N okomito na vrata na kvaki, a koliki ista okomita sila na rastojanju 0,3 m od šarke? Zatim odgovori zašto je kvaka uvijek postavljena na suprotnom kraju vrata.
Provjeri rješenje i obrazloženje

Na kvaki je krak 0,9 m, pa je M = 30 N · 0,9 m = 27 N·m. Na rastojanju 0,3 m moment je M = 30 N · 0,3 m = 9 N·m — tri puta manji uz istu silu. Kvaka je zato na suprotnom kraju vrata: tamo je krak najveći, pa je za isti potrebni moment dovoljna najmanja sila. Kada bi kvaka bila uz šarku, krak bi bio gotovo nula i vrata bi se teško otvarala.

Provjeri u simulaciji: postavi silu na 30 N, pa uporedi krak 0,90 m i krak 0,30 m. Zatim postavi krak na 0 m i objasni zašto se vrata ne pomjeraju.

Veza s programom

Ključni sadržaji koje ovdje učiš: obrtno djelovanje sile, osa obrtanja, krak sile, moment sile M = F·l, jedinica N·m, smjer obrtanja.

Oblast B — Mehanika: međudjelovanje tijela i sila. Ishod B.7.1 i B.7.2 (obrtno djelovanje sile i moment sile) obavezuje ovu cjelinu iako je popis ključnih sadržaja u kurikulumu kraći. Predmetni kurikulum KS, 7. razred, štampana str. 11. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.