Равновесието във физиката е състояние на системата, при което тя е в относителен покой спрямо околните обекти. Статиката е изследване на условията на равновесие. Един от механизмите, познаването на равновесните условия, за чието действие е от основно значение, е лостът. Помислете в статията какви са видовете ливъридж.
Какво е във физиката?
Преди да говорим за видовете лостове (по физика 7 клас преминава тази тема), нека дефинираме това устройство. Лостът е прост механизъм, който ви позволява да преобразувате силата в разстояние и обратно. Лостът има просто устройство, състои се от греда (дъска, прът), която има определена дължина и една опора. Позицията на опората не е фиксирана, така че може да бъде разположена както в средата на гредата, така и в нейния край. Веднага отбелязваме, че позицията на опората като цяло определя вида на лоста.
Последното е използвано от хората от незапомнени времена. И така, известно е, че в древна Месопотамия или в Египет, с помощта на нея са издигали вода от реки или премествали огромни камъни по време наизграждане на различни конструкции. Активно използван лостът в древна Гърция. Единственото запазено писмено доказателство за използването на този прост механизъм е „Паралелни животи“на Плутарх, където философът дава пример за използването на системата от блокове и лостове от Архимед.
Концепцията за въртящ момент
Разбирането на принципа на действие на различните видове лостове във физиката е възможно, ако изучавате въпроса за равновесието на разглеждания механизъм, който е тясно свързан с концепцията за момент на сила.
Моментът на силата е стойността, която се получава чрез умножаване на силата по разстоянието от точката на нейното приложение до оста на въртене. Това разстояние се нарича "рамо на силата". Да обозначим F и d - съответно силата и нейното рамо, тогава получаваме:
M=Fd
Моментът на сила осигурява възможността да се върти около тази ос на цялата система. Ярки примери, в които можете да наблюдавате момента на сила в действие, са отвиване на гайка с гаечен ключ или отваряне на врата с дръжка, която е далеч от пантите на вратата.
Въртящият момент е векторна величина. При решаването на проблеми често се налага да се има предвид неговият знак. Трябва да се помни, че всяка сила, която кара системата от тела да се върти обратно на часовниковата стрелка, създава момент на сила със знака +.
Баланс на лоста
Фигурата по-горе показва типичен лост и силите, които действат върху него, са маркирани. По-нататък в статията ще се каже, че е -ливъридж от първи вид. Тук буквите F и R означават съответно външна сила и определено тегло на товара. Можете също да видите, че опората е изместена от центъра, така че дължините на рамената dF и dR не са равни една на друга.
В статиката е показано, че лостът не се движи като цялостен механизъм, сумата от всички сили, които действат върху него, трябва да бъде равна на нула. Отбелязахме само две от тях. Всъщност има и трета, която е противоположна на тези две и е равна на тяхната сума - това е реакцията на подкрепа.
За да не може лостът да извършва въртеливи движения, е необходимо сумата от всички моменти на силите да е равна на нула. Рамото на силата на реакция на опората е нула, така че не създава момент. Остава да запишем моментите на силите F и R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Записано условие за равновесие на лоста като формула, също така дадено:
dR/dF=F/R
Това равенство означава, че за да не се върти лостът, външната сила трябва да бъде толкова пъти по-голяма (по-малка) от теглото на товара, който се вдига, колко пъти рамото на тази сила е по-малко (по-голямо) от рамото, върху което тежестта действа на товара.
Дадената формулировка означава, че колко пъти спечелим по пътя с помощта на разглеждания механизъм, губим същата сума в сила.
Лост от първия вид
Беше показано в предишния параграф. Тук просто казваме, че за лост от този тип опората се намира между действащите сили F и R. В зависимост от съотношението на дължините на раменете такъв лост можеда се използва както за вдигане на тежести, така и за придаване на ускорение на тялото.
Механични везни, ножици, издърпвател за нокти, катапулт са примери за лостове от първия вид.
В случай на баланс имаме две рамена с еднаква дължина, така че балансът на лоста се постига само когато силите F и R са равни една на друга. Този факт се използва за претегляне на тела с неизвестна маса, като се сравнява с референтна стойност.
Ножицата и щипката за нокти са основни примери за придобиване на сила, но загуба по пътя. Всеки знае, че колкото по-близо до оста на ножицата е положен лист хартия, толкова по-лесно е да го изрежете. Напротив, ако се опитате да режете хартия с върховете на ножицата, тогава има голяма вероятност те да започнат да я "дъвчат". Колкото по-дълга е дръжката на ножицата или инструмента за издърпване на нокти, толкова по-лесно е да изпълните съответната операция.
Що се отнася до катапулта, това е ярък пример за печалба с помощта на лост по пътя и следователно в ускорението, което рамото му придава на снаряда.
Лост от втория вид
При всички лостове от втория вид опората е разположена близо до един от краищата на гредата. Тази подредба води до наличието само на едно рамо при лоста. В този случай тежестта на товара винаги се намира между опората и външната сила F. Подреждането на силите в лоста от втория вид води до единствения полезен резултат: увеличаване на силата.
Примери за този тип ливъридж са количката, която се използва за превоз на тежки товари, и лешникотрошачката. И в двата случая загубата по пътя няма отрицателна стойност. Така че, в случай на ръчноколички, важно е само да поддържате товара върху теглото, докато се движи. В този случай приложената сила е няколко пъти по-малка от теглото на товара.
Лост от третия вид
Дизайнът на този тип лост в много отношения е подобен на предишния. Опората в този случай също е разположена в един от краищата на гредата, а лостът има едно рамо. Разположението на действащите сили в него обаче е съвсем различно, отколкото при лост от втори вид. Точката на приложение на силата F е между теглото на товара и опората.
Лопата, преграда, въдица и пинсети са поразителни примери за този тип ливъридж. Във всички тези случаи ние печелим по пътя, но има значителна загуба на сила. Например, за да задържите тежък товар с пинсети, трябва да приложите голяма сила F, така че използването на този инструмент не означава да държите тежки предмети с него.
В заключение отбелязваме, че всички видове лостове работят на един и същ принцип. Те не дават печалба в работата по преместване на стоки, а ви позволяват само да преразпределите тази работа в посока на нейното по-удобно изпълнение.
