Η ισορροπία στη φυσική είναι μια κατάσταση του συστήματος, στην οποία βρίσκεται σε σχετική ηρεμία με τα γύρω αντικείμενα. Η στατική είναι η μελέτη των συνθηκών ισορροπίας. Ένας από τους μηχανισμούς, η γνώση των συνθηκών ισορροπίας για τη λειτουργία του οποίου είναι θεμελιώδους σημασίας, είναι ο μοχλός. Σκεφτείτε στο άρθρο ποιοι τύποι μόχλευσης είναι.
Τι είναι στη φυσική;
Πριν μιλήσουμε για τους τύπους μοχλών (στη φυσική, ο βαθμός 7 περνάει αυτό το θέμα), ας ορίσουμε αυτήν τη συσκευή. Ο μοχλός είναι ένας απλός μηχανισμός που σας επιτρέπει να μετατρέψετε τη δύναμη σε απόσταση και αντίστροφα. Ο μοχλός έχει μια απλή συσκευή, αποτελείται από μια δοκό (σανίδα, ράβδος), η οποία έχει ορισμένο μήκος, και ένα στήριγμα. Η θέση του στηρίγματος δεν είναι σταθερή, επομένως μπορεί να βρίσκεται τόσο στο μέσο της δοκού όσο και στο άκρο της. Σημειώνουμε αμέσως ότι η θέση του στηρίγματος καθορίζει γενικά τον τύπο του μοχλού.
Το τελευταίο χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο από αμνημονεύτων χρόνων. Έτσι, είναι γνωστό ότι στην αρχαία Μεσοποταμία ή στην Αίγυπτο, με τη βοήθειά της, ανέβαζαν νερό από ποτάμια ή μετακινούσαν τεράστιες πέτρες κατά τη διάρκειακατασκευή διαφόρων κατασκευών. Χρησιμοποιούσε ενεργά τον μοχλό στην αρχαία Ελλάδα. Η μόνη γραπτή απόδειξη που έχει διασωθεί για τη χρήση αυτού του απλού μηχανισμού είναι οι «Παράλληλοι βίοι» του Πλούταρχου, όπου ο φιλόσοφος δίνει ένα παράδειγμα της χρήσης του συστήματος των μπλοκ και μοχλών από τον Αρχιμήδη.
Η έννοια της ροπής
Η κατανόηση της αρχής της λειτουργίας διαφορετικών τύπων μοχλών στη φυσική είναι δυνατή εάν μελετήσετε το ζήτημα της ισορροπίας του εξεταζόμενου μηχανισμού, το οποίο σχετίζεται στενά με την έννοια της ροπής δύναμης.
Η ροπή της δύναμης είναι η τιμή που προκύπτει πολλαπλασιάζοντας τη δύναμη με την απόσταση από το σημείο εφαρμογής της έως τον άξονα περιστροφής. Αυτή η απόσταση ονομάζεται «ώμος της δύναμης». Ας συμβολίσουμε F και d - τη δύναμη και τον ώμο της, αντίστοιχα, τότε παίρνουμε:
M=Fd
Η ροπή δύναμης παρέχει τη δυνατότητα περιστροφής γύρω από αυτόν τον άξονα ολόκληρου του συστήματος. Ζωντανά παραδείγματα στα οποία μπορείτε να παρατηρήσετε τη στιγμή της δύναμης σε δράση είναι το ξεβίδωμα ενός παξιμαδιού με ένα κλειδί ή το άνοιγμα μιας πόρτας με ένα χερούλι που βρίσκεται μακριά από τους μεντεσέδες της πόρτας.
Η ροπή είναι μια διανυσματική ποσότητα. Στην επίλυση προβλημάτων, συχνά πρέπει να λαμβάνει κανείς υπόψη του το πρόσημο του. Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι κάθε δύναμη που προκαλεί το σύστημα των σωμάτων να περιστρέφεται αριστερόστροφα δημιουργεί μια ροπή δύναμης με το σύμβολο +.
Υπόλοιπο μοχλού
Το παραπάνω σχήμα δείχνει έναν τυπικό μοχλό και σημειώνονται οι δυνάμεις που ασκούν πάνω του. Αργότερα στο άρθρο θα ειπωθεί ότι είναι -μόχλευση πρώτου είδους. Εδώ, τα γράμματα F και R δηλώνουν μια εξωτερική δύναμη και ένα ορισμένο βάρος του φορτίου, αντίστοιχα. Μπορείτε επίσης να δείτε ότι το στήριγμα είναι μετατοπισμένο από το κέντρο, επομένως τα μήκη των βραχιόνων dF και dR δεν είναι ίσα μεταξύ τους.
Στη στατική αποδεικνύεται ότι ο μοχλός δεν κινείται ως ολόκληρος μηχανισμός, το άθροισμα όλων των δυνάμεων που ασκούνται σε αυτόν πρέπει να είναι ίσο με μηδέν. Σημειώσαμε μόνο δύο από αυτά. Στην πραγματικότητα, υπάρχει και ένα τρίτο, το οποίο είναι αντίθετο με αυτά τα δύο και ίσο με το άθροισμά τους - αυτή είναι η αντίδραση υποστήριξης.
Για να μην κάνει ο μοχλός περιστροφικές κινήσεις, είναι απαραίτητο το άθροισμα όλων των ροπών των δυνάμεων να είναι ίσο με μηδέν. Ο ώμος της δύναμης αντίδρασης του στηρίγματος είναι μηδέν, άρα δεν δημιουργεί στιγμή. Απομένει να γράψουμε τις ροπές των δυνάμεων F και R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Καταγεγραμμένη συνθήκη ισορροπίας μοχλού ως τύπος, δίνεται επίσης:
dR/dF=F/R
Αυτή η ισότητα σημαίνει ότι για να μην περιστρέφεται ο μοχλός, η εξωτερική δύναμη πρέπει να είναι τόσες φορές μεγαλύτερη (λιγότερη) από το βάρος του φορτίου που ανυψώνεται, πόσες φορές ο βραχίονας αυτής της δύναμης είναι μικρότερος (μεγαλύτερο) από το μπράτσο στο οποίο το βάρος επιδρά φορτίο.
Η συγκεκριμένη διατύπωση σημαίνει ότι όσες φορές κερδίζουμε στο δρόμο με τη βοήθεια του εξεταζόμενου μηχανισμού, χάνουμε την ίδια δύναμη.
Μοχλός πρώτου είδους
Εμφανίστηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Εδώ λέμε απλώς ότι για έναν μοχλό αυτού του τύπου, η στήριξη βρίσκεται μεταξύ των ενεργών δυνάμεων F και R. Ανάλογα με την αναλογία των μηκών των βραχιόνων, ένας τέτοιος μοχλός μπορείνα χρησιμοποιείται τόσο για άρση βαρών όσο και για επιτάχυνση του σώματος.
Μηχανική ζυγαριά, ψαλίδι, εξολκέα νυχιών, καταπέλτης είναι παραδείγματα μοχλών πρώτου είδους.
Σε περίπτωση ζυγού, έχουμε δύο βραχίονες ίδιου μήκους, οπότε η ισορροπία του μοχλού επιτυγχάνεται μόνο όταν οι δυνάμεις F και R είναι ίσες μεταξύ τους. Αυτό το γεγονός χρησιμοποιείται για τη ζύγιση σωμάτων άγνωστης μάζας συγκρίνοντάς τα με μια τιμή αναφοράς.
Το ψαλίδι και το σέρβις νυχιών είναι βασικά παραδείγματα για να αποκτάς δύναμη αλλά να χάνεις στην πορεία. Όλοι γνωρίζουν ότι όσο πιο κοντά στον άξονα του ψαλιδιού είναι τοποθετημένο ένα φύλλο χαρτιού, τόσο πιο εύκολο είναι να το κόψετε. Αντίθετα, αν προσπαθήσετε να κόψετε χαρτί με τις μύτες του ψαλιδιού, τότε υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να αρχίσουν να το «μασούν». Όσο μεγαλύτερη είναι η λαβή του ψαλιδιού ή του εξολκέα νυχιών, τόσο πιο εύκολο είναι να εκτελέσετε την αντίστοιχη λειτουργία.
Όσο για τον καταπέλτη, αυτό είναι ένα ζωντανό παράδειγμα κέρδους με τη βοήθεια ενός μοχλού καθ' οδόν, άρα και στην επιτάχυνση που προσδίδει ο ώμος του στο βλήμα.
Μοχλός δεύτερου είδους
Σε όλους τους μοχλούς του δεύτερου είδους, το στήριγμα βρίσκεται κοντά σε ένα από τα άκρα της δοκού. Αυτή η διάταξη οδηγεί στην παρουσία μόνο ενός ώμου στο μοχλό. Σε αυτήν την περίπτωση, το βάρος του φορτίου βρίσκεται πάντα μεταξύ του στηρίγματος και της εξωτερικής δύναμης F. Η διάταξη των δυνάμεων στο μοχλό του δεύτερου είδους οδηγεί στο μόνο χρήσιμο αποτέλεσμα: αύξηση της δύναμης.
Παραδείγματα αυτού του τύπου μόχλευσης είναι το καρότσι, το οποίο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά βαρέων φορτίων, και ο καρυοθραύστης. Και στις δύο περιπτώσεις, η απώλεια στην πορεία δεν έχει καμία αρνητική αξία. Έτσι, στην περίπτωση του manualκαρότσια, είναι σημαντικό μόνο να διατηρείτε το φορτίο στο βάρος ενώ κινείται. Σε αυτήν την περίπτωση, η ασκούμενη δύναμη είναι αρκετές φορές μικρότερη από το βάρος του φορτίου.
Μοχλός τρίτου είδους
Η σχεδίαση αυτού του τύπου μοχλού είναι από πολλές απόψεις παρόμοια με την προηγούμενη. Το στήριγμα σε αυτή την περίπτωση βρίσκεται επίσης σε ένα από τα άκρα της δοκού και ο μοχλός έχει έναν μόνο βραχίονα. Ωστόσο, η θέση των ενεργών δυνάμεων σε αυτό είναι εντελώς διαφορετική από ό,τι σε έναν μοχλό δεύτερου είδους. Το σημείο εφαρμογής της δύναμης F είναι μεταξύ του βάρους του φορτίου και της στήριξης.
Το φτυάρι, το φράγμα, το καλάμι ψαρέματος και τα τσιμπιδάκια είναι εντυπωσιακά παραδείγματα αυτού του τύπου μόχλευσης. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις κερδίζουμε στην πορεία, αλλά υπάρχει σημαντική απώλεια δύναμης. Για παράδειγμα, για να κρατήσετε ένα βαρύ φορτίο με τσιμπιδάκια, πρέπει να εφαρμόσετε μια μεγάλη δύναμη F, επομένως η χρήση αυτού του εργαλείου δεν σημαίνει ότι κρατάτε βαριά αντικείμενα μαζί του.
Συμπερασματικά, σημειώνουμε ότι όλοι οι τύποι μοχλών λειτουργούν με την ίδια αρχή. Δεν δίνουν κέρδος στο έργο της μετακίνησης αγαθών, αλλά σας επιτρέπουν μόνο να αναδιανείμετε αυτήν την εργασία προς την κατεύθυνση της πιο βολικής υλοποίησής της.
