Από την αρχαιότητα, η ανθρωπότητα επιδίωκε με κάθε μέσο να διευκολύνει τη σωματική της εργασία. Οι απλοί μηχανισμοί έχουν γίνει ένα μέσο για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Αυτό το άρθρο εξετάζει εφευρέσεις όπως ο μοχλός και το μπλοκ, καθώς και το σύστημα μοχλών και μπλοκ.
Τι είναι η μόχλευση και πότε χρησιμοποιήθηκε;
Πιθανώς όλοι να είναι εξοικειωμένοι με αυτόν τον απλό μηχανισμό από την παιδική ηλικία. Στη φυσική, ένας μοχλός είναι ένας συνδυασμός δοκού (ράβδος, σανίδα) και ενός στηρίγματος. Λειτουργεί ως μοχλός για την άρση βαρών ή για την επικοινωνία της ταχύτητας στα σώματα. Ανάλογα με τη θέση του στηρίγματος κάτω από τη δοκό, ο μοχλός μπορεί να οδηγήσει σε κέρδος είτε σε ισχύ είτε στην κίνηση των φορτίων. Πρέπει να πούμε ότι ο μοχλός δεν οδηγεί σε μείωση της εργασίας ως φυσική ποσότητα, σας επιτρέπει μόνο να αναδιανείμετε την εκτέλεσή του με βολικό τρόπο.
Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί μόχλευση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Έτσι, υπάρχουν ενδείξεις ότι χρησιμοποιήθηκε από τους αρχαίους Αιγύπτιους στην κατασκευή των πυραμίδων. Η πρώτη μαθηματική περιγραφή της επίδρασης του μοχλού χρονολογείται στον 3ο αιώνα π. Χ. και ανήκει στον Αρχιμήδη. Μια σύγχρονη εξήγηση της αρχής λειτουργίας αυτού του μηχανισμού που περιλαμβάνειη έννοια της στιγμής της δύναμης προέκυψε μόλις τον 17ο αιώνα, κατά τη διάρκεια του σχηματισμού της κλασικής μηχανικής του Νεύτωνα.
Κανόνας μοχλού
Πώς λειτουργεί ο μοχλός; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα περιέχεται στην έννοια της ροπής της δύναμης. Η τελευταία ονομάζεται τέτοια τιμή, η οποία λαμβάνεται ως αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού του βραχίονα της δύναμης με το μέτρο του, δηλαδή:
M=Fd
Ο βραχίονας της δύναμης d είναι η απόσταση από το υπομόχλιο μέχρι το σημείο εφαρμογής της δύναμης F.
Όταν ένας μοχλός κάνει τη δουλειά του, υπάρχουν τρεις διαφορετικές δυνάμεις που δρουν σε αυτόν:
- εξωτερική δύναμη που εφαρμόζεται, για παράδειγμα, από ένα άτομο;
- το βάρος του φορτίου που θέλει να μετακινήσει ένα άτομο με ένα μοχλό;
- αντίδραση του στηρίγματος που ενεργεί από την πλευρά του στηρίγματος στη δοκό μοχλού.
Η αντίδραση του στηρίγματος εξισορροπεί τις άλλες δύο δυνάμεις, οπότε ο μοχλός δεν κινείται προς τα εμπρός στο κενό. Για να μην εκτελεί επίσης περιστροφική κίνηση, είναι απαραίτητο το άθροισμα όλων των ροπών των δυνάμεων να είναι ίσο με μηδέν. Η ροπή της δύναμης μετριέται πάντα σε σχέση με κάποιον άξονα. Στην περίπτωση αυτή, αυτός ο άξονας είναι το υπομόχλιο. Με αυτή την επιλογή άξονα, ο ώμος της δράσης της δύναμης αντίδρασης του στηρίγματος θα είναι ίσος με μηδέν, δηλαδή αυτή η δύναμη δημιουργεί μια μηδενική ροπή. Το παρακάτω σχήμα δείχνει έναν τυπικό μοχλό πρώτου είδους. Τα βέλη επισημαίνουν την εξωτερική δύναμη F και το βάρος του φορτίου R.
Γράψτε το άθροισμα των ροπών για αυτές τις δυνάμεις, έχουμε:
RdR+ (-FdF)=0
Η ισότητα στο μηδέν του αθροίσματος των ροπών διασφαλίζει την απουσία περιστροφής των βραχιόνων του μοχλού. ΣτιγμήΗ δύναμη F λαμβάνεται με αρνητικό πρόσημο επειδή αυτή η δύναμη τείνει να περιστρέφει το μοχλό δεξιόστροφα, ενώ η δύναμη R τείνει να κάνει αυτή τη στροφή αριστερόστροφα.
Γράφοντας ξανά αυτήν την έκφραση στις ακόλουθες μορφές, λαμβάνουμε τις συνθήκες ισορροπίας για το μοχλό:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Έχουμε αποκτήσει τις γραπτές ισότητες χρησιμοποιώντας την έννοια της ροπής δύναμης. Τον ΙΙΙ αιώνα π. Χ. μι. Οι Έλληνες φιλόσοφοι δεν γνώριζαν για αυτή τη φυσική έννοια, ωστόσο, ο Αρχιμήδης καθιέρωσε μια αντίστροφη σχέση μεταξύ της αναλογίας των δυνάμεων που δρουν στους βραχίονες του μοχλού και του μήκους αυτών των βραχιόνων ως αποτέλεσμα πειραματικών παρατηρήσεων.
Οι καταγεγραμμένες ισότητες δείχνουν ότι η μείωση του μήκους του βραχίονα dR συμβάλλει στην εμφάνιση της δυνατότητας άρσης μεγάλων βαρών με τη βοήθεια μιας μικρής δύναμης F και a μακρύς βραχίονας dF R φορτίο.
Τι είναι ένα μπλοκ στη φυσική;
Το Το μπλοκ είναι ένας άλλος απλός μηχανισμός, ο οποίος είναι ένας στρογγυλός κύλινδρος με αυλάκωση κατά μήκος της περιμέτρου της κυλινδρικής επιφάνειας. Το αυλάκι χρησιμεύει για τη στερέωση του σχοινιού ή της αλυσίδας. Το μπλοκ έχει άξονα περιστροφής. Το σχήμα δείχνει ένα παράδειγμα μπλοκ που δείχνει πώς λειτουργεί.
Αυτό το μπλοκ ονομάζεται σταθερό. Δεν δίνει κέρδος σε δύναμη, αλλά σας επιτρέπει να αλλάξετε την κατεύθυνση.
Εκτός από το σταθερό μπλοκ, υπάρχει ένα κινούμενο μπλοκ. Το σύστημα κινητού και σταθερού μπλοκ φαίνεται παρακάτω.
Αν εφαρμοστεί ο κανόνας των ροπών σε αυτό το σύστημα, τότε παίρνουμετο κέρδος σε δύναμη είναι δύο φορές, αλλά ταυτόχρονα χάνουμε το ίδιο ποσό στη διαδρομή (στο σχήμα F=60 N).
Το σύστημα των μοχλών και των μπλοκ
Όπως αναφέρθηκε στις προηγούμενες παραγράφους, η μόχλευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απόκτηση διαδρομής ή ισχύος, ενώ το μπλοκ σας επιτρέπει να αποκτήσετε ισχύ και να αλλάξετε την κατεύθυνση της δράσης του. Αυτές οι ιδιότητες των θεωρούμενων απλών μηχανισμών χρησιμοποιούνται σε συστήματα μοχλών και μπλοκ. Σε αυτά τα συστήματα, κάθε στοιχείο παίρνει κάποια δύναμη και τη μεταφέρει σε άλλα στοιχεία, έτσι ώστε να έχουμε την αρχική δύναμη ως έξοδο.
Η ευκολία λειτουργίας του μοχλού και του μπλοκ και η ευελιξία της δομικής τους χρήσης καθιστούν δυνατή τη σύνθεση πολύπλοκων μηχανισμών από έναν τέτοιο συνδυασμό.
Παραδείγματα χρήσης συστημάτων απλών μηχανισμών
Στην πραγματικότητα, οι μηχανές που μας περιβάλλουν είναι συστήματα μοχλών και μπλοκ. Εδώ είναι τα πιο διάσημα παραδείγματα:
- γραφομηχανή;
- πιάνο;
- γερανός;
- αναδιπλούμενα ικριώματα;
- ρυθμιζόμενα κρεβάτια και τραπέζια;
- ένα σύνολο ανθρώπινων οστών, αρθρώσεων και μυών.
Εάν η δύναμη εισόδου σε καθένα από αυτά τα συστήματα είναι γνωστή, τότε η δύναμη εξόδου μπορεί να υπολογιστεί εφαρμόζοντας διαδοχικά τον κανόνα μοχλού σε κάθε στοιχείο του συστήματος.
