Mașinile moderne au un design destul de complex. Cu toate acestea, principiul funcționării sistemelor lor se bazează pe utilizarea unor mecanisme simple. Una dintre ele este pârghia. Ce reprezintă din punct de vedere al fizicii și, de asemenea, în ce condiție se află pârghia în echilibru? Vom răspunde la aceste întrebări și la alte întrebări în articol.
Lever în fizică
Toată lumea are o idee bună despre ce fel de mecanism este. În fizică, o pârghie este o structură formată din două părți - o grindă și un suport. O grindă poate fi o scândură, o tijă sau orice alt obiect solid care are o anumită lungime. Suportul, situat sub grinda, este punctul de echilibru al mecanismului. Se asigură că pârghia are o axă de rotație, o împarte în două brațe și împiedică mișcarea sistemului înainte în spațiu.
Umanity a folosit pârghia din cele mai vechi timpuri, în principal pentru a facilita munca de ridicare a sarcinilor grele. Cu toate acestea, acest mecanism are o aplicație mai largă. Deci poate fi folosit pentru a da încărcăturii un mare impuls. Un prim exemplu de astfel de aplicațiesunt catapulte medievale.
Forțe care acționează asupra pârghiei
Pentru a facilita luarea în considerare a forțelor care acționează asupra brațelor pârghiei, luați în considerare următoarea figură:
Vedem că acest mecanism are brațe de lungimi diferite (dR<dF). Două forțe acționează asupra marginilor umerilor, care sunt îndreptate în jos. Forța externă F tinde să ridice sarcina R și să efectueze o muncă utilă. Sarcina R rezistă acestei ridicări.
De fapt, există o a treia forță care acționează în acest sistem - reacția de sprijin. Cu toate acestea, nu împiedică și nu contribuie la rotirea pârghiei în jurul axei, ci asigură doar că întregul sistem nu se deplasează înainte.
Astfel, echilibrul pârghiei este determinat de raportul dintre doar două forțe: F și R.
Condiția de echilibru a mecanismului
Înainte de a scrie formula echilibrului pentru o pârghie, să luăm în considerare o caracteristică fizică importantă a mișcării de rotație - momentul forței. Este înțeles ca produsul dintre umărul d și forța F:
M=dF.
Această formulă este valabilă atunci când forța F acționează perpendicular pe brațul pârghiei. Valoarea d descrie distanța de la punctul de sprijin (axa de rotație) până la punctul de aplicare a forței F.
Ne amintim de statică, observăm că sistemul nu se va roti în jurul axelor sale dacă suma tuturor momentelor sale este egală cu zero. La aflarea acestei sume trebuie luat in considerare si semnul momentului fortei. Dacă forța în cauză tinde să facă o întoarcere în sens invers acelor de ceasornic, atunci momentul pe care îl creează va fi pozitiv. În caz contrar, atunci când calculați momentul forței, luați-l cu semn negativ.
Aplicând condiția de echilibru rotațional de mai sus pentru pârghie, obținem următoarea egalitate:
dRR - dFF=0.
Transformând această egalitate, o putem scrie astfel:
dR/dF=F/R.
Ultima expresie este formula echilibrului pârghiei. Egalitatea spune că: cu cât efectul de pârghie dF este mai mare în comparație cu dR, cu atât va trebui aplicată mai puțină forță F pentru a echilibra sarcina R.
Formula pentru echilibrul unei pârghii dată folosind conceptul de moment al forței a fost obținută pentru prima dată experimental de Arhimede în secolul al III-lea î. Hr. e. Dar a obținut-o exclusiv prin experiență, deoarece în acel moment conceptul de moment al forței nu fusese introdus în fizică.
Starea scrisă a echilibrului pârghiei face, de asemenea, posibil să înțelegem de ce acest mecanism simplu dă un câștig fie în mod, fie în forță. Cert este că atunci când răsuciți brațele manetei, o distanță mai mare parcurge una mai lungă. În același timp, asupra ei acționează o forță mai mică decât asupra uneia scurte. În acest caz, obținem un câștig în forță. Dacă parametrii umerilor rămân la fel, iar sarcina și forța sunt inversate, atunci veți obține un câștig pe drum.
Problemă de echilibru
Lungimea fasciculului brațului este de 2 metri. A sustinesituat la o distanta de 0,5 metri de capatul din stanga al grinzii. Se știe că pârghia este în echilibru și asupra umărului său stâng acționează o forță de 150 N. Ce masă trebuie plasată pe umărul drept pentru a echilibra această forță.
Pentru a rezolva această problemă, aplicăm regula de echilibru care a fost scrisă mai sus, avem:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Astfel, greutatea sarcinii ar trebui să fie egală cu 50 N (a nu se confunda cu masa). Traducem această valoare în masa corespunzătoare folosind formula gravitației, avem:
m=R/g=50/9, 81=5,1 kg.
Un corp care cântărește doar 5,1 kg va echilibra o forță de 150 N (această valoare corespunde greutății unui corp care cântărește 15,3 kg). Aceasta indică un câștig de trei ori în putere.
