От древни времена човечеството се е стремяло по всякакъв начин да улесни физическия си труд. Простите механизми се превърнаха в средство за решаване на този проблем. Тази статия разглежда такива изобретения като лост и блок, както и системата от лостове и блокове.
Какво е ливъридж и кога е бил използван?
Вероятно всеки е запознат с този прост механизъм от детството. Във физиката лостът е комбинация от греда (прът, дъска) и една опора. Служи като лост за вдигане на тежести или за предаване на скоростта на телата. В зависимост от позицията на опората под гредата, лостът може да доведе до усилване или в силата, или в движението на товари. Трябва да се каже, че лостът не води до намаляване на работата като физическа величина, той ви позволява само да преразпределите изпълнението му по удобен начин.
Мъжът използва ливъридж от дълго време. И така, има доказателства, че е използван от древните египтяни при изграждането на пирамидите. Първото математическо описание на ефекта на лоста датира от 3 век пр. н. е. и принадлежи на Архимед. Съвременно обяснение на принципа на действие на този механизъм включваконцепцията за момента на силата възниква едва през 17-ти век, по време на формирането на класическата механика на Нютон.
Правило на лоста
Как работи лостът? Отговорът на този въпрос се съдържа в концепцията за момента на силата. Последното се нарича такава стойност, която се получава в резултат на умножаване на рамото на силата по нейния модул, тоест:
M=Fd
Рамото на силата d е разстоянието от опорната точка до точката на приложение на силата F.
Когато един лост върши своята работа, върху него действат три различни сили:
- външна сила, приложена например от човек;
- теглото на товара, който човек иска да премести с лост;
- реакция на опората, действаща от страната на опората към гредата на лоста.
Реакцията на опората балансира другите две сили, така че лостът не се движи напред в пространството. За да не извършва и въртеливо движение, е необходимо сумата от всички моменти на силите да е равна на нула. Моментът на силата винаги се измерва спрямо някаква ос. В този случай тази ос е опорната точка. При този избор на ос рамото на действието на реакционната сила на опората ще бъде равно на нула, тоест тази сила създава нулев момент. Фигурата по-долу показва типичен лост от първия вид. Стрелките отбелязват външната сила F и теглото на товара R.
Запишете сумата от моментите за тези сили, имаме:
RdR+ (-FdF)=0
Равенството на нула на сбора от моменти гарантира липсата на въртене на раменете на лоста. Моментсилата F се приема с отрицателен знак, защото тази сила се стреми да завърти лоста по посока на часовниковата стрелка, докато силата R се стреми да направи този завой обратно на часовниковата стрелка.
Пренаписвайки този израз в следните форми, получаваме условията на равновесие за лоста:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Получихме писмените равенства, използвайки концепцията за момента на силата. През III век пр.н.е. д. Гръцките философи не са знаели за тази физическа концепция, въпреки това Архимед установява обратна връзка между съотношението на силите, действащи върху раменете на лоста, и дължината на тези рамена в резултат на експериментални наблюдения.
Записаните равенства показват, че намаляването на дължината на ръката dR допринася за появата на възможността за повдигане на големи тежести с помощта на малка сила F и a дълго рамо dF R cargo.
Какво е блок във физиката?
Block е друг прост механизъм, който представлява кръгъл цилиндър с жлеб по периметъра на цилиндричната повърхност. Браздата служи за закрепване на въжето или веригата. Блокът има ос на въртене. Фигурата показва пример за блок, който демонстрира как работи.
Този блок се нарича фиксиран. Той не дава печалба в сила, но ви позволява да промените посоката му.
Освен фиксирания блок има и движещ се блок. Системата с подвижни и фиксирани блокове е показана по-долу.
Ако правилото на моментите се приложи към тази система, тогава получавамеувеличаването на силата е два пъти, но в същото време губим същото количество по пътя (на фигурата F=60 N).
Системата от лостове и блокове
Както споменахме в предишните параграфи, ливъриджът може да се използва за получаване на път или сила, докато блокът ви позволява да спечелите сила и да промените посоката на неговото действие. Тези свойства на разглежданите прости механизми се използват в системи от лостове и блокове. В тези системи всеки елемент поема някаква сила и я прехвърля към други елементи, така че да получим първоначалната сила като изход.
Лекотата на работа на лоста и блока и гъвкавостта на тяхното структурно използване правят възможно съставянето на сложни механизми от такава комбинация.
Примери за използване на системи от прости механизми
Всъщност всички машини, които ни заобикалят, са системи от лостове и блокове. Ето най-известните примери:
- пишеща машина;
- пиано;
- кран;
- сгъваемо скеле;
- регулируеми легла и маси;
- набор от човешки кости, стави и мускули.
Ако входната сила във всяка от тези системи е известна, тогава изходната сила може да бъде изчислена чрез последователно прилагане на правилото на лоста към всеки елемент от системата.
