Moderna maskiner har en ganska komplex design. Men principen för driften av deras system är baserad på användningen av enkla mekanismer. En av dem är spaken. Vad representerar det ur fysikens synvinkel, och även under vilka förutsättningar är spaken i balans? Vi kommer att svara på dessa och andra frågor i artikeln.
Spak i fysik
Alla har en bra uppfattning om vilken typ av mekanism det är. Inom fysiken är en spak en struktur som består av två delar - en balk och ett stöd. En balk kan vara en bräda, en stav eller något annat fast föremål som har en viss längd. Stödet, som ligger under balken, är mekanismens jämviktspunkt. Den ser till att spaken har en rotationsaxel, delar den i två armar och hindrar systemet från att röra sig framåt i rymden.
Mänskligheten har använt spaken sedan urminnes tider, främst för att underlätta arbetet med att lyfta tunga laster. Denna mekanism har emellertid en bredare tillämpning. Så den kan användas för att ge lasten en stor impuls. Ett utmärkt exempel på en sådan applikationär medeltida katapulter.
Tvingar som verkar på spaken
För att göra det lättare att överväga krafterna som verkar på spakens armar, överväg följande figur:
Vi ser att den här mekanismen har armar av olika längd (dR<dF). Två krafter verkar på axlarnas kanter, som är riktade nedåt. Den yttre kraften F tenderar att lyfta lasten R och utföra nyttigt arbete. Belastningen R står emot detta lyft.
Faktum är att det finns en tredje kraft som verkar i detta system - stödreaktionen. Det förhindrar eller bidrar dock inte till att spaken roterar runt axeln, det ser bara till att hela systemet inte rör sig framåt.
Således bestäms balansen för spaken av förhållandet mellan endast två krafter: F och R.
Mekanismjämviktstillstånd
Innan vi skriver ner balansformeln för en spak, låt oss överväga en viktig fysisk egenskap hos roterande rörelse - kraftmomentet. Det förstås som produkten av skuldran d och kraften F:
M=dF.
Denna formel är giltig när kraften F verkar vinkelrätt mot hävarmen. Värdet d beskriver avståndet från stödjepunkten (rotationsaxeln) till den punkt där kraften F.
appliceras
När vi kommer ihåg statik, noterar vi att systemet inte kommer att rotera runt sina axlar om summan av alla dess moment är lika med noll. När man hittar denna summa bör man också ta hänsyn till tecknet på kraftögonblicket. Om kraften i fråga tenderar att göra en vridning moturs, så kommer ögonblicket den skapar att vara positivt. Annars, när du beräknar kraftmomentet, ta det med ett negativt tecken.
Genom att tillämpa ovanstående villkor för rotationsjämvikt för spaken får vi följande likhet:
dRR - dFF=0.
När vi omvandlar denna jämlikhet kan vi skriva det så här:
dR/dF=F/R.
Det sista uttrycket är spakbalansformeln. Equality säger att: ju större hävstångseffekt dF jämfört med dR, desto mindre kraft kommer F att behöva appliceras för att balansera belastningen R.
Formeln för jämvikten för en hävarm som ges med hjälp av konceptet kraftmoment erhölls först experimentellt av Arkimedes redan på 300-talet f. Kr. e. Men han fick det uteslutande av erfarenhet, eftersom begreppet kraftmoment vid den tiden inte hade introducerats i fysiken.
Det skriftliga tillståndet för spakens balans gör det också möjligt att förstå varför denna enkla mekanism ger en vinst antingen i vägen eller i styrka. Faktum är att när du vrider på spakens armar går en längre sträcka och längre. Samtidigt verkar en mindre kraft på den än på en kort. I det här fallet får vi en styrka. Om parametrarna för axlarna lämnas desamma, och belastningen och kraften vänds, kommer du att få en vinst på vägen.
Jämviktsproblem
Längden på armbalken är 2 meter. Stödplacerad på ett avstånd av 0,5 meter från den vänstra änden av balken. Det är känt att spaken är i jämvikt och en kraft på 150 N verkar på dess vänstra axel. Vilken massa ska placeras på den högra axeln för att balansera denna kraft.
För att lösa detta problem använder vi balansregeln som skrevs ovan, vi har:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Därför bör lastens vikt vara lika med 50 N (ej att förväxla med massa). Vi översätter detta värde till motsvarande massa med hjälp av formeln för gravitation, vi har:
m=R/g=50/9, 81=5,1 kg.
En kropp som bara väger 5,1 kg kommer att balansera en kraft på 150 N (detta värde motsvarar vikten av en kropp som väger 15,3 kg). Detta indikerar en trefaldig ökning i styrka.
