Човечеството отдавна използва прости машини и механизми, за да направи физическия труд по-лесен и опростен. Един от тези механизми е лостът. Какво е лост във физиката, каква формула описва неговия баланс и какви видове лостове са - всички тези въпроси са разкрити в статията.
Концепция
Лостът във физиката е механизъм, състоящ се от греда или дъска и една опора. Опората обикновено разделя гредата на две неравни части, които се наричат рамена на лоста. Последният може да извършва ротационно движение около опорната точка.
Като прост механизъм, лостът е проектиран да извършва физическа работа с усилване както при мощност, така и при преминаване. Приложените сили действат върху рамената на лоста по време на неговото действие. Една от тях е силата на съпротивата. Създава се от тежестта на товара, който трябва да бъде преместен (вдигнат). Втората сила е някаква външна сила, която в повечето случаи се прилага към рамото на лоста с помощта на човешки ръце.
На снимката по-горе е показан типичен лост сдве рамене. По-късно в статията ще бъде обяснено защо се отнася до ливъридж от втория вид.
Правилото на лоста изглежда така:
СилаСилово рамо=НатоварванеНатоварващо рамо
Момент на сила
Нека да направим малко отклонение от темата за лоста във физиката и да разгледаме важна физическа величина за разбиране на нейното действие. Става дума за момента на сила. Това е произведението на силата и дължината на рамото на нейното приложение, което се записва математически, както следва:
M=Fd
Важно е да не бъркате, рамото на силата d и рамото на лоста, като цяло, това са различни понятия.
Моментът на силата показва способността на последния да направи завой в системата. Така че много хора знаят, че е много по-лесно да отворите вратата от дръжката, отколкото да я натиснете близо до пантите, или е по-лесно да развиете гайката на болта с дълъг гаечен ключ, отколкото с къс.
Моментът на силата е вектор. За да разберем работата на прост лостов механизъм във физиката, достатъчно е да знаем, че моментът се счита за положителен, ако силата има тенденция да завърти рамото на лоста обратно на часовниковата стрелка. Ако има тенденция да направи завой по посока на часовниковата стрелка, тогава моментът трябва да се вземе със знак минус.
Баланс на лоста във физиката
За да ви е по-лесно да разберете при какви условия лостът ще бъде балансиран, разгледайте следната фигура.
Тук са показани две сили: натоварване R и външна сила F, приложени за преодоляване на товатовари. Рамена на тези сили са равни на dR и dF, съответно. Всъщност има и друга сила - реакцията на опората, която действа вертикално нагоре в точката на контакт между гредата и опората на лоста. Тъй като рамото на тази сила е равно на нула, тя няма да се разглежда допълнително при определяне на условието за равновесие.
Според статиката въртенето на системата е невъзможно, ако сумата от моментите на външните сили е равна на нула. Нека напишем сумата от тези моменти, като вземем предвид техния знак:
RdR- FdF=0.
Написаното равенство отразява достатъчното условие за равновесие за лоста. Ако върху лоста действат не две сили, а повече, тогава това условие все още ще остане. Само вместо сумата от два момента на силите, ще е необходимо да се намери сумата от всички моменти на действащите сили и да се приравнят на нула.
Победата е силна и е на път
Изразът за моментите на силите на лоста във физиката, който беше написан в предишния параграф, ще бъде пренаписан в следната форма:
RdR=FdF
От горната формула следва:
dR / dF=F / R.
Това равенство казва, че за да се поддържа баланс, е необходимо силата F да бъде толкова пъти по-голяма от теглото на товара R, колко пъти неговото рамо dF по-малко от рамото d R. Тъй като по-голямото рамо в процеса на преместване на лоста изминава по-дълъг път от по-малкото рамо, ние получаваме възможността да извършим същата работа, използвайки лоста по два начина:
- приложете повече сила F и преместете рамото къмкратко разстояние;
- приложете малка сила F и преместете рамото на голямо разстояние.
В първия случай се говори за печалба по пътя в процеса на преместване на товара R, във втория случай се получава печалба в силата, тъй като F < R.
Къде се използва ливъридж и какви са те?
В зависимост от точката на приложение на силите на лоста във физиката и от позицията на опората, най-простият механизъм може да бъде три вида:
- Това е лост с две рамена, при който опорната позиция е еднакво отстранена от двата края на гредата. В зависимост от съотношението на дължините на ръцете, този тип лост ви позволява да печелите както по начин, така и по сила. Примерите за използването му включват везни, клещи, ножици, издърпвател за нокти, бебешка люлка.
- Лостът от втория вид е еднораменен, тоест опората е разположена близо до един от краищата му. В този случай външната сила се прилага към другия край на гредата и силата на натоварване действа между опората и външната сила, което ви позволява да спечелите точно в тази сила. Количката или лешникотрошачката са основни примери за този вид ливъридж.
- Третият тип механизъм е представен от примери като въдица или пинсети. Този лост също е с едно рамо, но външната приложена сила вече е по-близо до опората, отколкото точката на приложение на товара. Този дизайн на прост механизъм ви позволява да печелите на пътя, но губите в сила. Ето защо е трудно да задържите малка рибка върху тежестта в края на въдица или тежък предмет с пинсети.
За да повторя, лостът във физиката позволява самоулеснява извършването на тази или онази работа по преместване на стоки, но не ви позволява да спечелите в тази работа.
