Od czasów starożytnych ludzkość starała się wszelkimi sposobami ułatwić sobie pracę fizyczną. Proste mechanizmy stały się środkiem do rozwiązania tego problemu. W artykule omówiono takie wynalazki jak dźwignia i blok oraz system dźwigni i bloków.
Co to jest dźwignia finansowa i kiedy była używana?
Prawdopodobnie każdy zna ten prosty mechanizm od dzieciństwa. W fizyce dźwignia to połączenie belki (pręta, deski) i jednej podpory. Służy jako dźwignia do podnoszenia ciężarów lub do przekazywania ciału prędkości. W zależności od położenia podpory pod belką, dźwignia może prowadzić do wzmocnienia siły lub ruchu ładunków. Należy powiedzieć, że dźwignia jako wielkość fizyczna nie prowadzi do zmniejszenia pracy, a jedynie pozwala na redystrybucję jej wykonania w dogodny sposób.
Człowiek używa dźwigni od dłuższego czasu. Istnieją więc dowody na to, że był używany przez starożytnych Egipcjan do budowy piramid. Pierwszy matematyczny opis działania dźwigni pochodzi z III wieku p.n.e. i należy do Archimedesa. Współczesne wyjaśnienie zasady działania tego mechanizmu polegającego na:pojęcie momentu siły powstało dopiero w XVII wieku, podczas formowania się mechaniki klasycznej Newtona.
Zasada dźwigni
Jak działa dźwignia? Odpowiedź na to pytanie zawarta jest w pojęciu momentu siły. Ta ostatnia nazywana jest taką wartością, która jest uzyskiwana w wyniku pomnożenia ramienia siły przez jego moduł, czyli:
M=Fd
Ramię siły d to odległość od punktu podparcia do punktu przyłożenia siły F.
Kiedy dźwignia wykonuje swoje zadanie, działają na nią trzy różne siły:
- siła zewnętrzna przyłożona, na przykład przez osobę;
- ciężar ładunku, który osoba próbuje przesunąć za pomocą dźwigni;
- reakcja podpory działająca od boku podpory na belkę dźwigni.
Reakcja podpory równoważy pozostałe dwie siły, dzięki czemu dźwignia nie porusza się do przodu w przestrzeni. Aby nie wykonywał również ruchu obrotowego, konieczne jest, aby suma wszystkich momentów sił była równa zeru. Moment siły jest zawsze mierzony względem jakiejś osi. W tym przypadku ta oś jest punktem podparcia. Przy takim wyborze osi ramię działania siły reakcji podpory będzie równe zeru, to znaczy siła ta tworzy moment zerowy. Poniższy rysunek przedstawia typową dźwignię pierwszego rodzaju. Strzałki oznaczają siłę zewnętrzną F i ciężar ładunku R.
Zapisz sumę momentów dla tych sił, mamy:
RdR+ (-FdF)=0
Równość do zera sumy momentów zapewnia brak obrotu ramion dźwigni. Za chwilęsiła F jest przyjmowana ze znakiem ujemnym, ponieważ siła ta ma tendencję do obracania dźwigni zgodnie z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy siła R ma tendencję do wykonywania tego obrotu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
Przepisując to wyrażenie w następujących postaciach, otrzymujemy warunki równowagi dla dźwigni:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Uzyskaliśmy pisane równości, używając pojęcia momentu siły. W III wieku p.n.e. mi. Filozofowie greccy nie znali tej koncepcji fizycznej, niemniej Archimedes w wyniku obserwacji eksperymentalnych ustalił odwrotną zależność między stosunkiem sił działających na ramiona dźwigni a długością tych ramion.
Zarejestrowane równości pokazują, że zmniejszenie długości ramienia dR przyczynia się do pojawienia się możliwości podnoszenia dużych ciężarów za pomocą małej siły F i ramię długie dF R ładunek.
Czym jest blok w fizyce?
Blok to kolejny prosty mechanizm, który jest okrągłym cylindrem z rowkiem na obwodzie cylindrycznej powierzchni. Bruzda służy do zabezpieczenia liny lub łańcucha. Blok ma oś obrotu. Rysunek przedstawia przykład bloku, który demonstruje, jak to działa.
Ten blok nazywa się naprawiony. Nie daje przyrostu siły, ale pozwala zmienić jej kierunek.
Oprócz stałego bloku, jest też ruchomy blok. System ruchomego i stałego bloku pokazano poniżej.
Jeśli zasada momentów zostanie zastosowana do tego systemu, otrzymamyprzyrost siły jest dwukrotny, ale jednocześnie tracimy po drodze tyle samo (na rysunku F=60 N).
System dźwigni i bloków
Jak wspomniano w poprzednich akapitach, dźwignia może być użyta do uzyskania ścieżki lub mocy, podczas gdy blok pozwala na zdobycie mocy i zmianę kierunku jej działania. Te właściwości rozważanych prostych mechanizmów są wykorzystywane w układach dźwigni i bloków. W tych systemach każdy element przyjmuje pewną siłę i przenosi ją na inne elementy, dzięki czemu otrzymujemy pierwotną siłę jako wyjście.
Prostota obsługi dźwigni i bloku oraz elastyczność ich konstrukcyjnego wykorzystania pozwala na skomponowanie skomplikowanych mechanizmów z takiego połączenia.
Przykłady wykorzystania systemów prostych mechanizmów
W rzeczywistości wszystkie maszyny, które nas otaczają, to systemy dźwigni i bloków. Oto najbardziej znane przykłady:
- maszyna do pisania;
- piano;
- dźwig;
- rusztowanie składane;
- łóżka i stoły z regulacją;
- zestaw ludzkich kości, stawów i mięśni.
Jeżeli znana jest siła wejściowa w każdym z tych systemów, można obliczyć siłę wyjściową, stosując kolejno regułę dźwigni do każdego elementu systemu.
