Moderne maskiner har et ret komplekst design. Men princippet om drift af deres systemer er baseret på brugen af simple mekanismer. En af dem er håndtaget. Hvad repræsenterer det fra et fysiks synspunkt, og også, under hvilke forhold er håndtaget i balance? Vi vil besvare disse og andre spørgsmål i artiklen.
Håndtag i fysik
Alle har en god idé om, hvilken slags mekanisme det er. I fysik er en løftestang en struktur bestående af to dele - en bjælke og en støtte. En bjælke kan være et bræt, en stang eller en hvilken som helst anden fast genstand, der har en vis længde. Støtten, der er placeret under bjælken, er mekanismens ligevægtspunkt. Det sikrer, at håndtaget har en rotationsakse, deler det i to arme og forhindrer systemet i at bevæge sig fremad i rummet.
Menneskeheden har brugt håndtaget siden oldtiden, primært for at lette arbejdet med at løfte tunge byrder. Denne mekanisme har dog en bredere anvendelse. Så den kan bruges til at give belastningen en stor impuls. Et godt eksempel på en sådan applikationer middelalderlige katapulter.
Tvinger, der virker på håndtaget
For at gøre det nemmere at overveje de kræfter, der virker på håndtagets arme, skal du overveje følgende figur:
Vi ser, at denne mekanisme har arme af forskellig længde (dR<dF). To kræfter virker på skuldrenes kanter, som er rettet nedad. Den ydre kraft F har en tendens til at løfte belastningen R og udføre nyttigt arbejde. Belastningen R modstår dette løft.
Faktisk er der en tredje kraft, der virker i dette system - støttereaktionen. Det forhindrer eller bidrager dog ikke til at dreje håndtaget rundt om aksen, det sikrer kun, at hele systemet ikke bevæger sig fremad.
Således bestemmes vægtstangens balance af forholdet mellem kun to kræfter: F og R.
Mekanismeligevægtstilstand
Før nedskrivning af balanceformlen for et håndtag, lad os overveje en vigtig fysisk egenskab ved rotationsbevægelse - kraftmomentet. Det forstås som produktet af skulderen d og kraften F:
M=dF.
Denne formel er gyldig, når kraften F virker vinkelret på vægtstangsarmen. Værdien d beskriver afstanden fra omdrejningspunktet (drejningsaksen) til påføringspunktet for kraften F.
Når vi husker statik, bemærker vi, at systemet ikke vil rotere rundt om dets akser, hvis summen af alle dets momenter er lig med nul. Når man finder denne sum, skal tegnet på kraftmomentet også tages i betragtning. Hvis den pågældende kraft har en tendens til at dreje mod uret, så vil det øjeblik, den skaber, være positivt. Ellers, når du beregner kraftmomentet, skal du tage det med et negativt fortegn.
Ved at anvende ovenstående betingelse om rotationsligevægt for håndtaget opnår vi følgende lighed:
dRR - dFF=0.
Når vi transformerer denne lighed, kan vi skrive det sådan her:
dR/dF=F/R.
Det sidste udtryk er vægtstangsbalanceformlen. Equality siger, at: jo større gearing dF sammenlignet med dR, jo mindre kraft skal F anvendes for at afbalancere belastningen R.
Formlen for ligevægten af en løftestang givet ved hjælp af begrebet kraftmomentet blev først eksperimentelt opnået af Arkimedes tilbage i det 3. århundrede f. Kr. e. Men han fik det udelukkende af erfaring, da begrebet kraftmoment på det tidspunkt ikke var blevet introduceret i fysikken.
Den skrevne tilstand af balancen af håndtaget gør det også muligt at forstå, hvorfor denne simple mekanisme giver en gevinst enten i vejen eller i styrke. Faktum er, at når du drejer håndtagets arme, rejser en større afstand og længere. Samtidig virker en mindre kraft på den end på en kort. I dette tilfælde får vi en styrkeforøgelse. Hvis parametrene for skuldrene efterlades de samme, og belastningen og kraften vendes, så får du en gevinst på vejen.
ligevægtsproblem
Længden af armstrålen er 2 meter. Supportplaceret i en afstand af 0,5 meter fra venstre ende af bjælken. Det er kendt, at håndtaget er i ligevægt, og en kraft på 150 N virker på dens venstre skulder. Hvilken masse skal placeres på højre skulder for at balancere denne kraft.
For at løse dette problem anvender vi balancereglen, der blev skrevet ovenfor, vi har:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Vægten af lasten bør således være lig med 50 N (ikke at forveksle med masse). Vi oversætter denne værdi til den tilsvarende masse ved hjælp af formlen for tyngdekraften, vi har:
m=R/g=50/9, 81=5,1 kg.
En krop, der kun vejer 5,1 kg, vil balancere en kraft på 150 N (denne værdi svarer til vægten af en krop, der vejer 15,3 kg). Dette indikerer en tredobling i styrke.
