什麼是轉動剛度?
轉動剛度(又稱扭轉剛度或角剛度)用來衡量結構構件、軸、接頭或彈簧抵抗扭轉的能力,定義為施加力矩(扭矩)與其所產生角位移的比值。剛度越高,代表構件在相同扭矩下幾乎不會轉動;剛度越低,則表示容易被扭轉。其標準單位為牛頓‧米/弧度(\(\text{N}\cdot\text{m}/\text{rad}\))。
如何使用本計算器
請以牛頓‧米輸入施加扭矩 \(T\),再以弧度輸入產生的角度變形 \(\theta\)。計算器會將扭矩除以變形量,得出轉動剛度。若您的角度單位是度,請先換算成弧度,方法是乘以 \(\pi/180\)(約 \(0.01745\))。
公式說明
核心方程式為 $$k = \frac{T}{\theta}$$ 其中:
• \(k\) = 轉動剛度(\(\text{N}\cdot\text{m}/\text{rad}\))
• \(T\) = 施加扭矩或力矩(\(\text{N}\cdot\text{m}\))
• \(\theta\) = 角度變形(弧度)
這正是線性彈簧剛度(\(k = \frac{F}{x}\))在旋轉情境下的對應關係。在彈性範圍內,扭矩與轉角成正比,因此剛度為定值。
範例演算
假設某根軸承受 100 N·m 的扭矩,並產生 0.05 弧度的扭轉,則 $$k = \frac{100}{0.05} = 2000 \ \text{N}\cdot\text{m}/\text{rad}$$ 也就是說,這根軸每轉動一弧度需要 2000 N·m 的扭矩,屬於相當剛硬的構件。
常見問題
應該使用哪些單位?扭矩請用牛頓‧米、角度請用弧度,所得剛度才會是 \(\text{N}\cdot\text{m}/\text{rad}\)。
我的角度是度,該怎麼辦?請換算成弧度:\(\text{弧度} = \text{度} \times \frac{\pi}{180}\)。例如 \(2.86^\circ \approx 0.05 \ \text{rad}\)。
這個公式適用於彈簧和樑嗎?適用。任何在彈性範圍內具備線性「力矩—轉角」關係的構件,都可以用此剛度來描述。