Echilibrul în fizică este o stare a sistemului, în care acesta se află în repaus relativ față de obiectele din jur. Statica este studiul condițiilor de echilibru. Unul dintre mecanismele, cunoașterea condițiilor de echilibru pentru a cărui funcționare are o importanță fundamentală, este pârghia. Luați în considerare în articol ce tipuri de levier sunt.
Ce este în fizică?
Înainte de a vorbi despre tipurile de pârghii (la fizică, clasa a 7-a trece acest subiect), să definim acest dispozitiv. O pârghie este un mecanism simplu care vă permite să convertiți forța în distanță și invers. Pârghia are un dispozitiv simplu, este formată dintr-o grindă (scândură, tijă), care are o anumită lungime și un suport. Poziția suportului nu este fixă, astfel încât acesta poate fi amplasat atât în mijlocul grinzii, cât și la capătul acesteia. Observăm imediat că poziția suportului determină în general tipul de pârghie.
Acesta din urmă a fost folosit de om din timpuri imemoriale. Deci, se știe că în Mesopotamia antică sau în Egipt, cu ajutorul acesteia, ridicau apă din râuri sau mutau pietre uriașe în timpulconstruirea diferitelor structuri. A folosit activ pârghia în Grecia antică. Singura dovadă scrisă care a supraviețuit cu privire la utilizarea acestui mecanism simplu este „Vieți paralele” a lui Plutarh, unde filosoful dă un exemplu de utilizare a sistemului de blocuri și pârghii de către Arhimede.
Conceptul de cuplu
Înțelegerea principiului de funcționare a diferitelor tipuri de pârghii în fizică este posibilă dacă studiezi problema echilibrului mecanismului luat în considerare, care este strâns legată de conceptul de moment al forței.
Momentul forței este valoarea care se obține prin înmulțirea forței cu distanța de la punctul de aplicare a acesteia la axa de rotație. Această distanță se numește „umărul forței”. Să notăm F și d - forța și respectiv umărul său, apoi obținem:
M=Fd
Momentul de forță oferă posibilitatea de a se roti în jurul acestei axe a întregului sistem. Exemple vii în care puteți observa momentul forței în acțiune sunt deșurubarea unei piulițe cu o cheie sau deschiderea unei uși cu un mâner care este departe de balamalele ușii.
Cuplul este o cantitate vectorială. În rezolvarea problemelor, de multe ori trebuie să ținem cont de semnul acestuia. Trebuie amintit că orice forță care face ca sistemul de corpuri să se rotească în sens invers acelor de ceasornic creează un moment de forță cu semnul +.
Echilibrul pârghiei
Figura de mai sus prezintă o pârghie tipică, iar forțele care acționează asupra acesteia sunt marcate. Mai târziu în articol se va spune că este -pârghie de primul fel. Aici, literele F și R denotă o forță externă și, respectiv, o anumită greutate a sarcinii. De asemenea, puteți vedea că suportul este decalat față de centru, astfel încât lungimile brațelor dF și dR nu sunt egale între ele.
În statică se arată că pârghia nu se mișcă ca întreg mecanism, suma tuturor forțelor care acționează asupra ei trebuie să fie egală cu zero. Am notat doar două dintre ele. De fapt, există și o a treia, care este opusă acestor două și egală cu suma lor - aceasta este reacția de sprijin.
Pentru ca pârghia să nu facă mișcări de rotație, este necesar ca suma tuturor momentelor de forță să fie egală cu zero. Umărul forței de reacție a suportului este zero, deci nu creează un moment. Rămâne să notăm momentele forțelor F și R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Condiția de echilibru a pârghiei înregistrată sub formă de formulă, dat de asemenea:
dR/dF=F/R
Această egalitate înseamnă că, pentru ca pârghia să nu se rotească, forța externă trebuie să fie de atâtea ori mai mare (mai mică) decât greutatea sarcinii ridicate, de câte ori brațul acestei forțe este mai mic (mai mare) decât brațul asupra căruia acționează greutatea încărcăturii.
Formularea dată înseamnă că de câte ori câștigăm pe parcurs cu ajutorul mecanismului luat în considerare, pierdem aceeași sumă în putere.
Pârghie de primul fel
A fost arătat în paragraful anterior. Aici spunem doar că pentru o pârghie de acest tip, suportul este situat între forțele care acționează F și R. În funcție de raportul dintre lungimile brațelor, o astfel de pârghie poatepoate fi folosit atât pentru ridicarea greutăților, cât și pentru accelerarea corpului.
Cântarul mecanic, foarfecele, un extractor de unghii, o catapultă sunt exemple de pârghii de primul fel.
În cazul unei balanțe, avem două brațe de aceeași lungime, deci echilibrul pârghiei se realizează doar atunci când forțele F și R sunt egale între ele. Acest fapt este folosit pentru a cântări corpuri cu masă necunoscută, comparându-l cu o valoare de referință.
Foarfecele și un extractor de unghii sunt exemple excelente de a câștiga putere, dar de a pierde pe parcurs. Toată lumea știe că, cu cât o foaie de hârtie este așezată mai aproape de axa foarfecelor, cu atât este mai ușor să o tăiați. Dimpotrivă, dacă încercați să tăiați hârtie cu vârfurile foarfecelor, atunci există o mare probabilitate ca aceștia să înceapă să o „mestece”. Cu cât mânerul foarfecei sau al extractorului de unghii este mai lung, cu atât este mai ușor să efectuați operația corespunzătoare.
În ceea ce privește catapulta, acesta este un exemplu viu de câștig cu ajutorul unei pârghii pe drum și, prin urmare, în accelerația pe care umărul ei o conferă proiectilului.
Pârghie de al doilea fel
La toate pârghiile de al doilea fel, suportul este situat lângă unul dintre capetele grinzii. Acest aranjament duce la prezența unui singur umăr la pârghie. În acest caz, greutatea sarcinii este întotdeauna situată între suport și forța exterioară F. Dispunerea forțelor în pârghia de al doilea fel duce la singurul rezultat util: câștig în forță.
Exemple de acest tip de pârghie sunt roaba, care este folosită pentru a transporta sarcini grele, și spărgătorul de nuci. În ambele cazuri, pierderea pe parcurs nu are nicio valoare negativă. Deci, în cazul manualuluiroabe, este important doar să mențineți sarcina pe greutate în timp ce se deplasează. În acest caz, forța aplicată este de câteva ori mai mică decât greutatea sarcinii.
Pârghie de al treilea fel
Designul acestui tip de pârghie este în multe privințe similar cu cel precedent. Suportul în acest caz este situat și la unul dintre capetele grinzii, iar pârghia are un singur braț. Cu toate acestea, locația forțelor care acționează în ea este complet diferită de cea a unei pârghii de al doilea fel. Punctul de aplicare a forței F este între greutatea sarcinii și suport.
Lopata, bariera, undița și penseta sunt exemple izbitoare ale acestui tip de pârghie. În toate aceste cazuri, câștigăm pe drum, dar există o pierdere semnificativă a puterii. De exemplu, pentru a ține o încărcătură grea cu penseta, trebuie să aplicați o forță mare F, deci folosirea acestui instrument nu înseamnă să țineți obiecte grele cu el.
În concluzie, observăm că toate tipurile de pârghii funcționează pe același principiu. Ele nu oferă un câștig în munca de mutare a mărfurilor, ci vă permit doar să redistribuiți această muncă în direcția implementării mai convenabile a acesteia.
