Mänskligheten har länge använt enkla maskiner och mekanismer för att göra fysiskt arbete enklare och enklare. En av dessa mekanismer är spaken. Vad är en spak i fysik, vilken formel beskriver dess balans och vilka typer av spakar är - alla dessa frågor avslöjas i artikeln.
Koncept
En spak i fysik är en mekanism som består av en balk eller bräda och ett stöd. Stödet delar i allmänhet balken i två ojämna delar, som kallas hävarmar. Den senare kan utföra en roterande rörelse runt stödjepunkten.
Spaken är en enkel mekanism och är utformad för att utföra fysiskt arbete med förstärkning antingen i kraft eller under transport. De applicerade krafterna verkar på spakens armar under dess drift. En av dem är motståndets kraft. Den skapas av vikten av lasten som måste flyttas (lyftas). Den andra kraften är någon yttre kraft, som i de flesta fall appliceras på hävarmen med hjälp av människohänder.
Bilden ovan visar en typisk spak medtvå axlar. Längre fram i artikeln kommer det att förklaras varför det hänvisar till hävstång av det andra slaget.
Spaksregeln ser ut så här:
ForceForce arm=LastLast arm
kraftögonblick
Låt oss göra en avvikelse från temat för spaken i fysiken och överväga en viktig fysisk storhet för att förstå dess funktion. Det handlar om kraftens ögonblick. Det är produkten av kraften och längden på armen för dess tillämpning, vilket är matematiskt skrivet enligt följande:
M=Fd
Det är viktigt att inte blanda ihop, kraftens arm d och spakens arm, i allmänhet är det olika begrepp.
Kraftmomentet visar den senares förmåga att göra en sväng i systemet. Så många vet att det är mycket lättare att öppna dörren med handtaget än att trycka den nära gångjärnen, eller så är det lättare att skruva loss muttern på bulten med en lång skiftnyckel än med en kort.
Kraftögonblick är en vektor. För att förstå funktionen av en enkel spakmekanism i fysiken räcker det att veta att ögonblicket anses positivt om kraften tenderar att vrida spakarmen moturs. Om den tenderar att svänga i riktning moturs, ska ögonblicket tas med ett minustecken.
Spakbalans i fysik
För att göra det lättare att förstå under vilka förhållanden spaken kommer att vara i balans, överväg följande figur.
Två krafter visas här: en belastning R och en yttre kraft F som appliceras för att övervinna dettamassor. Dessa styrkors vapen är lika med dR respektive dF. Faktum är att det finns en annan kraft - stödets reaktion, som verkar vertik alt uppåt vid kontaktpunkten mellan balken och spakens stöd. Eftersom skuldran för denna kraft är lika med noll, kommer den inte att beaktas ytterligare vid bestämning av jämviktstillståndet.
Enligt statik är systemets rotation omöjlig om summan av momenten för yttre krafter är lika med noll. Låt oss skriva summan av dessa ögonblick, med hänsyn till deras tecken:
RdR- FdF=0.
Den skriftliga likheten återspeglar det tillräckliga jämviktsvillkoret för spaken. Om inte två krafter verkar på spaken, utan fler, kommer detta tillstånd fortfarande att förbli. Endast istället för summan av två kraftmoment kommer det att vara nödvändigt att hitta summan av alla moment av de verkande krafterna och likställa dem till noll.
Vinsten är stark och på väg
Uttrycket för momenten av hävstångskrafter i fysiken, som skrevs i föregående stycke, kommer att skrivas om i följande form:
RdR=FdF
Från ovanstående formel följer:
dR / dF=F / R.
Denna jämlikhet säger att för att upprätthålla balansen är det nödvändigt att kraften F är lika många gånger större än vikten av lasten R, hur många gånger dess arm dF mindre än armen d R. Eftersom den större armen som håller på att flytta spaken går en längre väg än den mindre armen får vi möjlighet att utföra samma arbete med spaken på två sätt:
- applicera mer kraft F och flytta axeln tillkort avstånd;
- använd en liten kraft F och flytta axeln en lång sträcka.
I det första fallet talar man om en vinst på väg i processen att flytta lasten R, i det andra fallet får man en vinst i styrka, eftersom F < R.
Var används hävstångseffekten och vilka är de?
Beroende på tillämpningspunkten för hävstångskrafter i fysiken och på stödets läge, kan den enklaste mekanismen vara av tre typer:
- Detta är en tvåarmad spak, i vilken stödpositionen är lika borttagen från båda ändarna av balken. Beroende på förhållandet mellan armarnas längder låter denna typ av spak dig vinna både i vägen och i styrka. Exempel på dess användning inkluderar våg, tång, sax, en nageldragare, en babygunga.
- Spaken av den andra typen är enarmad, det vill säga stödet är placerat nära en av dess ändar. I det här fallet appliceras den yttre kraften på den andra änden av balken, och lastkraften verkar mellan stödet och den yttre kraften, vilket gör att du kan vinna i just denna kraft. En skottkärra eller en nötknäppare är utmärkta exempel på denna typ av hävstång.
- Den tredje typen av mekanism representeras av exempel som ett fiskespö eller pincett. Denna spak är också enarmad, men den externa applicerade kraften är redan närmare stödet än belastningspunkten. Denna design av en enkel mekanism låter dig vinna på vägen, men förlora i styrka. Det är därför det är svårt att hålla en liten fisk på vikten i änden av ett fiskespö eller ett tungt föremål med pincett.
För att upprepa, en spak i fysik tillåter baragör det bekvämt att utföra det ena eller det andra arbetet med att flytta varor, men låter dig inte vinna i detta arbete.
