Каждый современный человек, который слышит слово "механизм", представляет себе набор шурупов, гаек, металлических прутьев, пружин, поршней, дисков и валов. В действительности же под этим словом обычно понимали более простые вещи, например, деревянный клин или обычную наклонную плоскость. Упомянутые механизмы называются простыми. Одним из них является рычаг. Рассмотрим в статье, что это - рычаг.
Физическое понятие о рычаге
Рычаг - это простой механизм, служащий для облегчения выполнения многих видов работ, например, подъем тяжестей или сообщение телам начальной скорости. Рычаг состоит из двух элементов: балки определенной длины и одной опоры. Опора, располагаемая под балкой, делит рычаг на два плеча. Соотношение их длин является принципиальным во время применения этого механизма.
Вам будет интересно:Мезоны - это что за частицы? Понятие, описание, свойства и типы мезонов
На рисунке выше показан рассмотренный простой механизм, который является рычагом первого рода (см. ниже).
Историческая справка
Каждый школьник слышал уже в 7 классе о знаменитом рычаге Архимеда. Греческий философ утверждал, что при определенных размерах этого простого механизма он мог бы перевернуть нашу Землю, будь вторая такая планета, которую можно было бы использовать в качестве опоры. Архимеду действительно принадлежит большая заслуга в развитии статики, поскольку он смог экспериментально получить математическое равенство, которое в настоящее время носит название "Условия равновесия рычага".
Однако сам принцип рычага использовался задолго до нашей эры. Так, известно, что для забора воды из рек применялся этот простой механизм. Существуют исторические свидетельства, что при строительстве пирамид египтяне также применяли систему рычагов.
Принцип работы рычага
Познакомившись с вопросом, что такое рычаг в физике (это наипростейший механизм), перейдем к рассмотрению принципа, согласно которому с помощью рычага получается выигрыш в силе или в пути перемещения. Для этого вспомним, что в физике существует величина, которая называется моментом силы. Последний равен произведению плеча силы на модуль силы, то есть:
M = d*F.
Где плечо силы d - это дистанция от опоры рычага до точки действия силы F.
Если вспомнить статику, то второе условие равновесия системы твердых тел в ней гласит, что система не будет совершать вращательного движения, если сумма всех n моментов сил в ней равна нулевому значению. То есть:
∑i=1nMi = 0.
Прежде чем переходить к формулировке условия равновесия рычага, отметим, что момент силы, который стремится повернуть систему против часовой стрелки, является положительным. Противоположный ему момент будет отрицательным.
Выше показан рычаг, на который оказывают действие внешняя сила F и сила нагрузки R. Учитывая значение плеч сил и направления моментов, можно записать следующее равенство:
R*dR - F*dF = 0.
Откуда получаем условие равновесия рычага, полученное еще Архимедом:
dR/dF = F/R.
Это условие говорит о том, что чем длиннее плечо dF, тем меньшую силу F следует приложить, чтобы поднять вес R. При этом высота подъема этого веса будет меньше, чем высота, на которую опустится плечо dF. Таким образом, при dF>dR получается выигрыш в силе, но проигрыш в пути. При обратном соотношении плеч получится выигрыш уже в пути, но силу F придется приложить большей величины, чем вес R.
Таким образом рычаг можно применять как для подъема тяжестей, так и для сообщения скорости телу весом R. Последнее раньше использовалось в катапультах.
Виды рычагов и примеры
В зависимости от положения опоры и порядка расположения действующих на балку сил рычаги бывают трех родов. Расскажем кратко об особенностях каждого из них.
Рычаг - это устройство, которое может быть нескольких видов. Первого рода рычаги являются двуплечими. В соответствии с соотношением длин плеч он может давать выигрыш в силе или в пути. Примерами применения таких рычагов являются ножницы, детские качели, гвоздодер.
Рычаг - это механизм не только двуплечий. Он также может иметь одно плечо, когда опора располагается вблизи края балки. В этом случае возможно два варианта в расположении точек приложения сил F и R, которые были рассмотрены ранее. Если F лежит дальше от опоры, чем R, то мы получаем рычаг второго рода, если же F ближе к опоре, чем R, то получаем рычаг третьего рода. Рычагами второго рода являются ручная тачка для перемещения грузов или орехокол.
В качестве рычагов третьего рода можно привести в пример рыбацкую удочку, пинцет или столовую вилку.
Нетрудно понять, что рычаги второго рода дают выигрыш в силе, а третьего рода - в пути.