Moderne masjiene het 'n redelik komplekse ontwerp. Die beginsel van werking van hul stelsels is egter gebaseer op die gebruik van eenvoudige meganismes. Een van hulle is die hefboom. Wat verteenwoordig dit vanuit die oogpunt van fisika, en ook, onder watter toestand is die hefboom in balans? Ons sal hierdie en ander vrae in die artikel beantwoord.
Hendel in fisika
Almal het 'n goeie idee watter soort meganisme dit is. In fisika is 'n hefboom 'n struktuur wat uit twee dele bestaan - 'n balk en 'n steun. 'n Balk kan 'n bord, 'n staaf of enige ander soliede voorwerp wees wat 'n sekere lengte het. Die steun, geleë onder die balk, is die ewewigspunt van die meganisme. Dit verseker dat die hefboom 'n rotasie-as het, verdeel dit in twee arms en keer dat die stelsel vorentoe beweeg in die ruimte.
Die mensdom gebruik die hefboom sedert antieke tye, hoofsaaklik om die opheffing van swaar vragte te vergemaklik. Hierdie meganisme het egter 'n wyer toepassing. Dit kan dus gebruik word om die vrag 'n groot impuls te gee. 'n Goeie voorbeeld van so 'n toepassingis Middeleeuse katapulte.
Kragte wat op die hefboom inwerk
Om dit makliker te maak om die kragte wat op die arms van die hefboom inwerk in ag te neem, oorweeg die volgende figuur:
Ons sien dat hierdie meganisme arms van verskillende lengtes het (dR<dF). Twee kragte werk op die kante van die skouers, wat afwaarts gerig is. Die eksterne krag F is geneig om die las R op te lig en nuttige werk te verrig. Die las R weerstaan hierdie hysbak.
In werklikheid is daar 'n derde krag wat in hierdie stelsel optree - die ondersteuningsreaksie. Dit verhoed egter nie of dra by tot die rotasie van die hefboom om die as nie, dit verseker net dat die hele stelsel nie vorentoe beweeg nie.
Dus, die balans van die hefboom word bepaal deur die verhouding van slegs twee kragte: F en R.
Meganisme-ewewigstoestand
Voordat ons die balansformule vir 'n hefboom neerskryf, kom ons kyk na een belangrike fisiese eienskap van rotasiebeweging - die oomblik van krag. Dit word verstaan as die produk van die skouer d en die krag F:
M=dF.
Hierdie formule is geldig wanneer die krag F loodreg op die hefboomarm inwerk. Die waarde d beskryf die afstand vanaf die draaipunt (rotasie-as) tot by die aanwendingspunt van die krag F.
Onthou statika, ons let daarop dat die stelsel nie om sy asse sal draai as die som van al sy momente gelyk is aan nul nie. Wanneer hierdie som bepaal word, moet die teken van die kragmoment ook in ag geneem word. As die betrokke krag geneig is om 'n linksomdraai te maak, sal die oomblik wat dit skep positief wees. Andersins, wanneer die moment van krag bereken word, neem dit met 'n negatiewe teken.
Deur die bogenoemde toestand van rotasie-ewewig vir die hefboom toe te pas, verkry ons die volgende gelykheid:
dRR - dFF=0.
Om hierdie gelykheid te transformeer, kan ons dit so skryf:
dR/dF=V/V.
Die laaste uitdrukking is die hefboombalansformule. Equality sê dat: hoe groter die hefboomkrag dF in vergelyking met dR, hoe minder krag F sal toegepas moet word om die las R.te balanseer
Die formule vir die ewewig van 'n hefboom wat gegee word deur die konsep van die kragmoment te gebruik, is die eerste keer eksperimenteel deur Archimedes in die 3de eeu vC verkry. e. Maar hy het dit uitsluitlik deur ervaring gekry, aangesien die konsep van die kragmoment op daardie stadium nog nie in die fisika ingebring is nie.
Die geskrewe toestand van die balans van die hefboom maak dit ook moontlik om te verstaan hoekom hierdie eenvoudige meganisme 'n oorwinning gee, hetsy in die pad of in sterkte. Die feit is dat wanneer jy die arms van die hefboom draai, 'n groter afstand 'n langer een aflê. Terselfdertyd werk 'n kleiner krag daarop in as op 'n kort een. In hierdie geval kry ons 'n wins in krag. As die parameters van die skouers dieselfde gelaat word, en die las en krag word omgekeer, dan sal jy 'n wins op die pad kry.
Ewewigsprobleem
Die lengte van die armbalk is 2 meter. Ondersteuninggeleë op 'n afstand van 0,5 meter vanaf die linkerkant van die balk. Dit is bekend dat die hefboom in ewewig is en 'n krag van 150 N werk op sy linkerskouer. Watter massa moet op die regterskouer geplaas word om hierdie krag te balanseer.
Om hierdie probleem op te los, pas ons die balansreël toe wat hierbo geskryf is, ons het:
dR/dF=V/V=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Dus, die gewig van die las moet gelyk wees aan 50 N (nie met massa verwar word nie). Ons vertaal hierdie waarde in die ooreenstemmende massa deur die formule vir swaartekrag te gebruik, ons het:
m=R/g=50/9, 81=5,1kg.
'n Liggaam wat net 5,1 kg weeg, sal 'n krag van 150 N balanseer (hierdie waarde stem ooreen met die gewig van 'n liggaam wat 15,3 kg weeg). Dit dui op 'n drievoudige toename in sterkte.
