Moderne maskiner har en ganske kompleks design. Imidlertid er prinsippet om drift av systemene deres basert på bruk av enkle mekanismer. En av dem er spaken. Hva representerer det fra et fysikksynspunkt, og også, under hvilke forhold er spaken i balanse? Vi vil svare på disse og andre spørsmål i artikkelen.
Spak i fysikk
Alle har en god idé om hva slags mekanisme det er. I fysikk er en spak en struktur som består av to deler - en bjelke og en støtte. En bjelke kan være et brett, en stang eller en hvilken som helst annen solid gjenstand som har en viss lengde. Støtten, plassert under bjelken, er likevektspunktet til mekanismen. Den sørger for at spaken har en rotasjonsakse, deler den i to armer og hindrer systemet i å bevege seg fremover i rommet.
Menneskeheten har brukt spaken siden antikken, hovedsakelig for å lette arbeidet med å løfte tunge laster. Imidlertid har denne mekanismen en bredere anvendelse. Så den kan brukes til å gi lasten en stor impuls. Et godt eksempel på en slik applikasjoner middelalderkatapulter.
Tvinger som virker på spaken
For å gjøre det lettere å vurdere kreftene som virker på armene til spaken, tenk på følgende figur:
Vi ser at denne mekanismen har armer med forskjellige lengder (dR<dF). To krefter virker på kantene av skuldrene, som er rettet nedover. Den ytre kraften F har en tendens til å løfte lasten R og utføre nyttig arbeid. Lasten R motstår dette løftet.
Faktisk er det en tredje kraft som virker i dette systemet - støttereaksjonen. Den hindrer eller bidrar imidlertid ikke til at spaken roterer rundt aksen, den sørger bare for at hele systemet ikke beveger seg fremover.
Således bestemmes balansen til spaken av forholdet mellom bare to krefter: F og R.
Mekanismelikevektstilstand
Før du skriver ned balanseformelen for en spak, la oss vurdere en viktig fysisk egenskap ved rotasjonsbevegelse - kraftmomentet. Det forstås som produktet av skulderen d og kraften F:
M=dF.
Denne formelen er gyldig når kraften F virker vinkelrett på spaken. Verdien d beskriver avstanden fra omdreiningspunktet (rotasjonsaksen) til påføringspunktet for kraften F.
Når vi husker statikk, merker vi at systemet ikke vil rotere rundt sine akser hvis summen av alle momentene er lik null. Når du finner denne summen, bør tegnet på kraftmomentet også tas i betraktning. Hvis den aktuelle kraften har en tendens til å svinge mot klokken, vil øyeblikket den skaper være positivt. Ellers, når du beregner kraftmomentet, ta det med et negativt fortegn.
Ved å anvende betingelsen ovenfor for rotasjonslikevekt for spaken, oppnår vi følgende likhet:
dRR - dFF=0.
Når vi forvandler denne likheten, kan vi skrive det slik:
dR/dF=F/R.
Det siste uttrykket er spakbalanseformelen. Equality sier at: jo større innflytelse dF sammenlignet med dR, jo mindre kraft må F brukes for å balansere belastningen R.
Formelen for likevekten til en spak gitt ved bruk av begrepet kraftmomentet ble først eksperimentelt oppnådd av Arkimedes tilbake i det 3. århundre f. Kr. e. Men han fikk det utelukkende av erfaring, siden begrepet kraftens øyeblikk på den tiden ikke var blitt introdusert i fysikken.
Den skrevne tilstanden til balansen til spaken gjør det også mulig å forstå hvorfor denne enkle mekanismen gir en gevinst enten i veien eller i styrke. Faktum er at når du dreier armene på spaken, reiser en større avstand en lengre. Samtidig virker en mindre kraft på den enn på en kort. I dette tilfellet får vi en styrkegevinst. Hvis parametrene til skuldrene forblir de samme, og belastningen og kraften reverseres, vil du få en gevinst på veien.
likevektsproblem
Lengden på armbjelken er 2 meter. Brukerstøtteplassert i en avstand på 0,5 meter fra venstre ende av bjelken. Det er kjent at spaken er i likevekt og en kraft på 150 N virker på dens venstre skulder Hvilken masse bør plasseres på høyre skulder for å balansere denne kraften.
For å løse dette problemet bruker vi saldoregelen som ble skrevet ovenfor, vi har:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Dermed bør vekten av lasten være lik 50 N (ikke å forveksle med masse). Vi oversetter denne verdien til den tilsvarende massen ved å bruke formelen for gravitasjon, vi har:
m=R/g=50/9, 81=5,1 kg.
En kropp som bare veier 5,1 kg vil balansere en kraft på 150 N (denne verdien tilsvarer vekten til en kropp som veier 15,3 kg). Dette indikerer en tredobling av styrke.
