Правило равновесия рычага - это закон, согласно которому рычаг находится в равновесии, если произведение силы на её плечо по обе стороны опоры одинаково:
- F1 * l1 = F2 * l2.
Пример: если на один конец рычага длиной 2 м действует сила 10 Н, на другой конец длиной 1 м должна действовать сила 20 Н.
Представили эту картину? Впечатляюще, правда? Как вы думаете, механизм, о котором идет речь, действительно волшебный или же его действие основано на физических законах?
Сегодня мы разгадаем эту загадку, а еще узнаем:
-
какие механизмы использовали древние строители;
-
что такое рычаг и где он применяется;
-
что такое плечо рычага и момент силы;
-
закон равновесия рычага и золотое правило механики.
Будет интересно, мы обещаем!
Простые механизмы
Строительство домов, памятников, дворцов и фонтанов — дело не из простых, поэтому еще в древние времена люди изобрели механизмы, которые позволяли упростить процесс.
Простые механизмы — это устройства, которые позволяют изменить величину или направление приложенных к ним сил.
В общем случае простой механизм позволяет затратить меньше усилий для выполнения работы, приложить меньшую силу, получив при этом значительный результат.
К простым механизмам относятся рычаги (на основе которых были созданы блоки и ворот), а также наклонная плоскость, принцип действия которой был заложен в работу клина и винтов.
Обычно простые механизмы — это элементы более сложных устройств, которые используются в быту и промышленности. Без них выполнять такую работу, как поднятие тяжелых предметов на высоту, было бы невозможно.
Рычаг в физике
Рычаг — это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.
Самый простой пример рычага вы могли видеть в мультфильмах или фильмах: герой подставляет большую доску под камень, опирает ее на бочку или ведро, прикладывает силу к краю доски и... поднимает камень! С помощью такой конструкции можно приподнять любой предмет, весь секрет только в расположении опоры (оси вращения) и правильном распределении усилия.
На рисунке представлен демонстрационный рычаг.
Но главное назначение рычага — не быть в равновесии, а давать выигрыш в силе. Каким образом? Все дело в том, что на рычаг могут действовать разные по величине силы, и точки приложения этих сил располагаются на разном расстоянии от точки опоры. Правильно распределив силы и подобрав расстояние до опоры, можно поднять груз, вес которого намного больше, чем сила, приложенная для его подъёма.
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по физике.
-
Выбирай из 890+ репетиторов по физике.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Плечо силы рычага
Плечо силы рычага — это кратчайшее расстояние от точки опоры до точки приложения силы.
На рисунке, который мы рассмотрели, отрезки
Чтобы найти плечо, необходимо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы, длина этого перпендикуляра является плечом данной силы.
Условие равновесия рычага
Условие равновесия рычага - это ситуация, в которой рычаг остается в неподвижном состоянии. Это достигается, когда произведения силы на длину её плеча с обеих сторон равны. Пример: F₁ × L₁ = F₂ × L₂, где F₁ и F₂ - силы, а L₁ и L₂ - плечи этих сил.
В каком случае рычаг находится в равновесии? Как необходимо расположить точки приложения сил, чтобы достигнуть этого состояния? Это условие было сформулировано еще много столетий назад.
Рычаг будет находится в равновесии, если силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил:
Давайте еще раз рассмотрим рисунок:
Предположим, вес одного груза —
Момент силы и рычаги
Правило равновесия рычагов можно переписать, используя понятие «момент силы». Но что это такое?
Момент силы — это произведение величины силы на ее плечо.
В теме 7 класса «Рычаги в физике» вы также можете встретить и другое определение.
Момент силы — физическая величина, характеризующая действие силы на объект, которое вызывает его вращательное движение.
Простыми словами, момент силы — это величина, которая дает характеристику вращательному усилию. Представьте, что вам необходимо закрутить гайку с помощью гаечного ключа. Вы берете ключ, причем автоматически перемещаете руки на его крайнюю часть — так выполнять действие намного проще. Говоря физическим языком, вы увеличиваете плечо силы, чтобы не прикладывать много усилий для закручивания гайки. А еще таким образом вы увеличиваете величину момента вращения.
В физике момент силы обозначается буквой
Преобразуем условие равновесия рычагов, умножив накрест по основному свойству пропорции:
а так как
А значит, сформулировать условие равновесия рычага можно так: рычаг будет находиться в равновесии, когда моменты сил, приложенных к его разным концам, равны.
Задачи
Закрепим пройденный материал, решив парочку задач.
Задача 1
Длина меньшего плеча рычага — 0,05 м, большего — 0,8 м. На меньшее плечо действует 16 H. Какую силу нужно приложить к большему плечу, чтобы уравновесить рычаг (весом рычага можно пренебречь)?
Дано: |
Решение:
|
Найти: |
Ответ: 1H
Задача 2
На концах невесомого рычага действуют силы 50 и 250 Н. Расстояние от точки опоры до меньшей силы равно 0,06 м. Определи длину плеча большей силы, если рычаг находится в равновесии.
Дано: |
Решение:
|
Найти: |
Ответ: 0,012 м.
Золотое правило механики
Как мы видим, рычаги могут дать значительный выигрыш в силе. Этим свойством пользовались древние строители, когда возводили монументальные сооружения. Но помимо выгоды, есть и достаточно плохая новость: чем больший выигрыш в силе нам нужно получить, тем значительнее должны отличаться плечи сил.
Представьте, что вам необходимо поднять камень в тонну при вашей массе 50 кг. Силы отличаются в 20 раз! А значит, и плечи сил должны отличаться во столько же. Если между камнем и точкой опоры будет 0,5 метра, то расстояние от вас до точки опоры должно быть не менее 100 метров. Придется очень потрудиться, чтобы найти доску такой длины.
Золотое правило механики гласит: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии.
Применение рычагов
Рычаги встречаются нам ежедневно в обычной жизни, просто до изучения этой темы вы могли их не замечать. Так, ножницы, щипцы для раскалывания орехов, пинцет, механические весы и весло в лодке являются типичными рычагами: у них есть явная точка опоры и плечи сил.
В теле человека тоже есть система рычагов. К ним можно отнести кости рук, ног, пальцев и даже челюсть и череп. Мышцы руки, такие как бицепс и трицепс, тоже можно назвать рычагами: они участвуют во многих движениях, поочередно растягиваясь и сжимаясь.
Виды рычагов
Рычаги делятся на три вида по своему строению. Рассмотрим каждый из них.
В рычаге первого типа точки приложения сил лежат по разные стороны от точки опоры, силы направлены в одну сторону. Одна из сил стремится повернуть рычаг по часовой стрелке, другая — против часовой стрелки.
Примеры: лом, пила, ножницы, плоскогубцы, детские качели.
В рычаге второго рода обе точки приложения сил лежат по одну сторону от точки опоры, причем одна из сил имеет меньшее плечо. Примером такого рычага является обычная садовая тачка: чтобы поднять груз, находящийся в ней, необходимо направить нашу силу вверх, чуть приподнимая тачку.
Еще к рычагам второго типа можно отнести щипцы для колки орехов, ключ для открывания бутылок.
В рычаге третьего типа обе точки приложения сил лежат по одну сторону от точки опоры, но тело, которое необходимо поднять, имеет большее плечо силы. Чтобы поднять такое тело, нам необходимо приложить силу, во много раз превышающую вес груза. К таким рычагам можно отнести ложку, метлу, заднюю дверь багажника и капот легковых автомобилей.
Великий греческий ученый Архимед как-то сказал: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину (переверну) Землю!». Имел ли он в виду, что может действительно создать такой масштабный рычаг, сейчас никто не подтвердит. Но мы точно знаем: уверенность в своих силах и знаниях позволит вам справиться с любым сложным делом. Именно такую уверенность дают онлайн-курсы физики в школе Skysmart. Записывайтесь на уроки, и тогда все вам будет нипочем: и школьные уроки физики, и лабораторные работы, и даже олимпиады. И тогда вы, как и Архимед, сможете сказать про себя: я могу сдвинуть даже Землю!💪
