Η ανθρωπότητα χρησιμοποιεί εδώ και πολύ καιρό απλές μηχανές και μηχανισμούς για να κάνει τη σωματική εργασία ευκολότερη και απλούστερη. Ένας από αυτούς τους μηχανισμούς είναι ο μοχλός. Τι είναι ένας μοχλός στη φυσική, ποια φόρμουλα περιγράφει την ισορροπία του και ποιοι τύποι μοχλών είναι - όλες αυτές οι ερωτήσεις αποκαλύπτονται στο άρθρο.
Έννοια
Ένας μοχλός στη φυσική είναι ένας μηχανισμός που αποτελείται από μια δοκό ή σανίδα και ένα στήριγμα. Το στήριγμα γενικά χωρίζει τη δοκό σε δύο άνισα μέρη, τα οποία ονομάζονται βραχίονες μοχλού. Το τελευταίο μπορεί να εκτελέσει μια περιστροφική κίνηση γύρω από το υπομόχλιο.
Όντας ένας απλός μηχανισμός, ο μοχλός έχει σχεδιαστεί για να εκτελεί φυσική εργασία με κέρδος είτε σε ισχύ είτε κατά τη μεταφορά. Οι ασκούμενες δυνάμεις δρουν στους βραχίονες του μοχλού κατά τη λειτουργία του. Ένα από αυτά είναι η δύναμη της αντίστασης. Δημιουργείται από το βάρος του φορτίου που πρέπει να μετακινηθεί (σηκωθεί). Η δεύτερη δύναμη είναι κάποια εξωτερική δύναμη, η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις εφαρμόζεται στον μοχλό με τη βοήθεια ανθρώπινων χεριών.
Η παραπάνω εικόνα δείχνει έναν τυπικό μοχλό μεδύο ώμους. Αργότερα στο άρθρο θα εξηγηθεί γιατί αναφέρεται σε μόχλευση δεύτερου είδους.
Ο κανόνας του μοχλού μοιάζει με αυτό:
ForceForce arm=LoadLoad Arm
Ροπή δύναμης
Ας κάνουμε μια παρέκκλιση από το θέμα του μοχλού στη φυσική και ας εξετάσουμε ένα σημαντικό φυσικό μέγεθος για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του. Πρόκειται για τη στιγμή της δύναμης. Είναι το γινόμενο της δύναμης και του μήκους του βραχίονα της εφαρμογής του, το οποίο γράφεται μαθηματικά ως εξής:
M=Fd
Είναι σημαντικό να μην συγχέουμε, ο βραχίονας της δύναμης d και ο βραχίονας του μοχλού, γενικά, αυτές είναι διαφορετικές έννοιες.
Η στιγμή της δύναμης δείχνει την ικανότητα του τελευταίου να κάνει μια στροφή στο σύστημα. Έτσι, πολλοί άνθρωποι γνωρίζουν ότι είναι πολύ πιο εύκολο να ανοίξετε την πόρτα από το χερούλι παρά να την σπρώξετε κοντά στους μεντεσέδες ή είναι πιο εύκολο να ξεβιδώσετε το παξιμάδι στο μπουλόνι με ένα μακρύ κλειδί παρά με ένα κοντό.
Η ροπή δύναμης είναι διάνυσμα. Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία ενός απλού μηχανισμού μοχλού στη φυσική, αρκεί να γνωρίζουμε ότι η στιγμή θεωρείται θετική εάν η δύναμη τείνει να στρίψει τον βραχίονα του μοχλού αριστερόστροφα. Εάν τείνει να κάνει μια στροφή προς την κατεύθυνση της φοράς των δεικτών του ρολογιού, τότε η στιγμή πρέπει να ληφθεί με το σύμβολο μείον.
Ισορροπία μοχλού στη φυσική
Για να καταλάβετε ευκολότερα σε ποιες συνθήκες θα βρίσκεται σε ισορροπία ο μοχλός, λάβετε υπόψη το ακόλουθο σχήμα.
Δύο δυνάμεις εμφανίζονται εδώ: ένα φορτίο R και μια εξωτερική δύναμη F που εφαρμόζεται για να ξεπεραστεί αυτόφορτία. Οι βραχίονες αυτών των δυνάμεων είναι ίσοι με dR και dF, αντίστοιχα. Στην πραγματικότητα, υπάρχει μια άλλη δύναμη - η αντίδραση του στηρίγματος, η οποία δρα κατακόρυφα προς τα πάνω στο σημείο επαφής μεταξύ της δοκού και της στήριξης του μοχλού. Εφόσον ο ώμος αυτής της δύναμης είναι ίσος με μηδέν, δεν θα ληφθεί περαιτέρω υπόψη κατά τον προσδιορισμό της συνθήκης ισορροπίας.
Σύμφωνα με τη στατική, η περιστροφή του συστήματος είναι αδύνατη εάν το άθροισμα των ροπών των εξωτερικών δυνάμεων είναι ίσο με μηδέν. Ας γράψουμε το άθροισμα αυτών των στιγμών, λαμβάνοντας υπόψη το πρόσημό τους:
RdR- FdF=0.
Η γραπτή ισότητα αντικατοπτρίζει την επαρκή συνθήκη ισορροπίας για το μοχλό. Εάν δεν δράσουν δύο δυνάμεις στον μοχλό, αλλά περισσότερες, τότε αυτή η συνθήκη θα παραμείνει. Μόνο αντί για το άθροισμα δύο ροπών δυνάμεων, θα χρειαστεί να βρεθεί το άθροισμα όλων των ροπών των ενεργών δυνάμεων και να εξισωθούν με το μηδέν.
Η νίκη είναι δυνατή και καθ' οδόν
Η έκφραση για τις ροπές των δυνάμεων μοχλού στη φυσική, που γράφτηκε στην προηγούμενη παράγραφο, θα ξαναγραφεί με την ακόλουθη μορφή:
RdR=FdF
Από τον παραπάνω τύπο ακολουθεί:
dR / dF=F / R.
Αυτή η ισότητα λέει ότι για να διατηρηθεί η ισορροπία, είναι απαραίτητο η δύναμη F να είναι τόσες φορές μεγαλύτερη από το βάρος του φορτίου R, πόσες φορές ο βραχίονάς του dF μικρότερο από το βραχίονα d R. Δεδομένου ότι ο μεγαλύτερος βραχίονας κατά τη διαδικασία κίνησης του μοχλού διανύει μεγαλύτερη διαδρομή από τον μικρότερο βραχίονα, έχουμε την ευκαιρία να εκτελέσουμε την ίδια εργασία χρησιμοποιώντας το μοχλό με δύο τρόπους:
- ασκήστε περισσότερη δύναμη F και μετακινήστε τον ώμο προςμικρή απόσταση;
- ασκήστε μια μικρή δύναμη F και μετακινήστε τον ώμο σε μεγάλη απόσταση.
Στην πρώτη περίπτωση, κάποιος μιλά για κέρδος καθ' οδόν κατά τη διαδικασία μετακίνησης του φορτίου R, στη δεύτερη περίπτωση, αποκτά ένα κέρδος σε αντοχή, αφού F < R.
Πού χρησιμοποιείται η μόχλευση και τι είναι;
Ανάλογα με το σημείο εφαρμογής των δυνάμεων του μοχλού στη φυσική και τη θέση του στηρίγματος, ο απλούστερος μηχανισμός μπορεί να είναι τριών τύπων:
- Πρόκειται για μοχλό δύο βραχιόνων, στον οποίο η θέση στήριξης αφαιρείται εξίσου και από τα δύο άκρα της δοκού. Ανάλογα με την αναλογία των μηκών των χεριών, αυτός ο τύπος μοχλού σας επιτρέπει να κερδίσετε τόσο με τον τρόπο όσο και με τη δύναμη. Παραδείγματα χρήσης του περιλαμβάνουν ζυγαριά, πένσα, ψαλίδι, εξολκέα νυχιών, κούνια μωρού.
- Ο μοχλός του δεύτερου είδους είναι μονόχειρος, δηλαδή το στήριγμα βρίσκεται κοντά σε ένα από τα άκρα του. Σε αυτή την περίπτωση, η εξωτερική δύναμη εφαρμόζεται στο άλλο άκρο της δοκού και η δύναμη φορτίου δρα μεταξύ του στηρίγματος και της εξωτερικής δύναμης, η οποία σας επιτρέπει να κερδίσετε σε αυτήν ακριβώς τη δύναμη. Ένα καρότσι ή ένας καρυοθραύστης είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτού του είδους μόχλευσης.
- Ο τρίτος τύπος μηχανισμού αντιπροσωπεύεται από παραδείγματα όπως καλάμι ψαρέματος ή τσιμπιδάκια. Αυτός ο μοχλός είναι επίσης μονόπλευρος, αλλά η εξωτερική ασκούμενη δύναμη είναι ήδη πιο κοντά στο στήριγμα παρά στο σημείο εφαρμογής του φορτίου. Αυτός ο σχεδιασμός ενός απλού μηχανισμού σας επιτρέπει να κερδίζετε στο δρόμο, αλλά να χάνετε σε δύναμη. Γι' αυτό είναι δύσκολο να κρατήσεις ένα μικρό ψάρι στο βάρος στην άκρη ενός καλαμιού ή ένα βαρύ αντικείμενο με τσιμπιδάκια.
Για να επαναλάβουμε, ένας μοχλός στη φυσική το επιτρέπει μόνοδιευκολύνει την εκτέλεση αυτού ή του άλλου έργου μετακίνησης αγαθών, αλλά δεν σας επιτρέπει να κερδίσετε σε αυτήν την εργασία.
