Sedan urminnes tider har mänskligheten på alla sätt försökt att underlätta sitt fysiska arbete. Enkla mekanismer har blivit ett sätt att lösa detta problem. Den här artikeln diskuterar sådana uppfinningar som spaken och blocket, såväl som systemet med spakar och block.
Vad är hävstångseffekt och när användes det?
Antagligen har alla varit bekanta med denna enkla mekanism sedan barndomen. Inom fysiken är en spak en kombination av en balk (stav, bräda) och ett stöd. Fungerar som en spak för att lyfta vikter eller för att kommunicera hastighet till kroppar. Beroende på placeringen av stödet under balken, kan spaken leda till en vinst antingen i kraft eller i rörelse av laster. Det ska sägas att spaken inte leder till en minskning av arbetet som en fysisk kvantitet, den tillåter dig bara att omfördela dess utförande på ett bekvämt sätt.
Man har använt hävstång under lång tid. Så det finns bevis för att det användes av de gamla egyptierna vid konstruktionen av pyramiderna. Den första matematiska beskrivningen av spakens effekt går tillbaka till 300-talet f. Kr. och tillhör Arkimedes. En modern förklaring av principen om driften av denna mekanism involverarbegreppet kraftmoment uppstod först på 1600-talet, under bildandet av Newtons klassiska mekanik.
Spakregel
Hur fungerar spaken? Svaret på denna fråga finns i begreppet kraftmomentet. Det senare kallas ett sådant värde, som erhålls som ett resultat av att multiplicera kraftens arm med dess modul, det vill säga:
M=Fd
Kraftarmen d är avståndet från stödpunkten till punkten där kraften F appliceras.
När en spak gör sitt jobb finns det tre olika krafter som verkar på den:
- extern kraft som till exempel appliceras av en person;
- vikten av lasten som en person försöker flytta med en spak;
- reaktion av stödet som verkar från sidan av stödet till spakbalken.
Stödets reaktion balanserar de andra två krafterna, så att spaken inte rör sig framåt i rymden. För att den inte också ska utföra rotationsrörelse är det nödvändigt att summan av alla kraftmoment är lika med noll. Kraftmomentet mäts alltid i förhållande till någon axel. I detta fall är denna axel stödpunkten. Med detta val av axel kommer axeln för verkan av stödets reaktionskraft att vara lika med noll, det vill säga denna kraft skapar ett nollmoment. Bilden nedan visar en typisk spak av det första slaget. Pilarna markerar den yttre kraften F och lastens vikt R.
Skriv ner summan av momenten för dessa krafter, vi har:
RdR+ (-FdF)=0
Likhet till noll av summan av moment säkerställer frånvaron av rotation av spakarmarna. Ögonblickkraften F tas med ett negativt tecken eftersom denna kraft tenderar att vrida spaken medurs, medan kraften R tenderar att göra denna vridning moturs.
När vi skriver om detta uttryck i följande former, erhåller vi jämviktsvillkoren för spaken:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Vi har fått de skriftliga jämlikheterna med hjälp av konceptet kraftmoment. På III-talet f. Kr. e. Grekiska filosofer kände inte till detta fysiska koncept, men Arkimedes etablerade ett omvänt förhållande mellan förhållandet mellan krafterna som verkar på hävarmen och längden på dessa armar som ett resultat av experimentella observationer.
De registrerade jämlikheterna visar att en minskning av armens längd dR bidrar till uppkomsten av möjligheten att lyfta stora vikter med hjälp av en liten kraft F och en lång arm dF R last.
Vad är ett block i fysik?
Block är en annan enkel mekanism, som är en rund cylinder med ett spår längs omkretsen av den cylindriska ytan. Fåran tjänar till att säkra repet eller kedjan. Blocket har en rotationsaxel. Bilden visar ett exempel på ett block som visar hur det fungerar.
Det här blocket kallas fix. Det ger ingen styrka, men låter dig ändra riktning.
Förutom det fasta blocket finns det ett flyttblock. Det rörliga och fasta blocksystemet visas nedan.
Om regeln om ögonblick tillämpas på detta system, då får vistyrkan är två gånger, men samtidigt tappar vi lika mycket på vägen (i figuren F=60 N).
Systemet med spakar och block
Som nämnts i föregående stycken, kan hävstångseffekt användas för att få väg eller makt, medan block låter dig få makt och ändra riktningen på dess handling. Dessa egenskaper hos de övervägda enkla mekanismerna används i system med spakar och block. I dessa system tar varje element en viss kraft och överför den till andra element så att vi får den ursprungliga kraften som en utgång.
Lättheten att manövrera spaken och blocket och flexibiliteten i deras strukturella användning gör det möjligt att komponera komplexa mekanismer från en sådan kombination.
Exempel på att använda system med enkla mekanismer
Faktum är att alla maskiner som omger oss är system av spakar och block. Här är de mest kända exemplen:
- skrivmaskin;
- piano;
- kran;
- vikbara ställningar;
- justerbara sängar och bord;
- en uppsättning mänskliga ben, leder och muskler.
Om ingångskraften i vart och ett av dessa system är känd, kan utgångskraften beräknas genom att successivt tillämpa spakregeln på varje element i systemet.
