Równowaga w fizyce to stan układu, w którym znajduje się on w spoczynku względem otaczających go obiektów. Statyka to nauka o warunkach równowagi. Jednym z mechanizmów, którego znajomość warunków równowagi dla działania ma fundamentalne znaczenie, jest dźwignia. Zastanów się w artykule, jakie są rodzaje dźwigni.
Co to jest w fizyce?
Zanim zaczniemy mówić o rodzajach dźwigni (w fizyce ocena 7 przechodzi ten temat), zdefiniujmy to urządzenie. Dźwignia to prosty mechanizm, który pozwala zamienić siłę na odległość i odwrotnie. Dźwignia ma proste urządzenie, składa się z belki (deski, pręta), która ma określoną długość i jednego wspornika. Pozycja podpory nie jest stała, dzięki czemu może znajdować się zarówno na środku belki, jak i na jej końcu. Od razu zauważamy, że położenie podpory ogólnie określa rodzaj dźwigni.
Ten ostatni był używany przez człowieka od niepamiętnych czasów. Wiadomo więc, że w starożytnej Mezopotamii lub w Egipcie za jej pomocą podnosili wodę z rzek lub przesuwali ogromne kamienie podczasbudowa różnych konstrukcji. Aktywnie używał dźwigni w starożytnej Grecji. Jedynym pisemnym dowodem, jaki przetrwał stosowanie tego prostego mechanizmu, jest „Życie równoległe” Plutarcha, w którym filozof podaje przykład użycia systemu bloków i dźwigni przez Archimedesa.
Pojęcie momentu obrotowego
Zrozumienie zasady działania różnych typów dźwigni w fizyce jest możliwe, jeśli przestudiujesz kwestię równowagi rozważanego mechanizmu, która jest ściśle związana z pojęciem momentu siły.
Moment siły to wartość otrzymywana przez pomnożenie siły przez odległość od punktu jej przyłożenia do osi obrotu. Odległość ta nazywana jest „ramionem siły”. Oznaczmy F i d - odpowiednio siłę i jej ramię, wtedy otrzymujemy:
M=Fd
Moment siły zapewnia możliwość obracania się wokół tej osi całego układu. Żywe przykłady, w których można zaobserwować moment siły w działaniu, to odkręcanie nakrętki kluczem lub otwieranie drzwi klamką z dala od zawiasów.
Moment obrotowy jest wielkością wektorową. W rozwiązywaniu problemów często trzeba brać pod uwagę jego znak. Należy pamiętać, że każda siła powodująca obrót układu ciał w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara tworzy moment siły ze znakiem +.
Saldo dźwigni
Powyższy rysunek przedstawia typową dźwignię, a siły działające na nią są zaznaczone. W dalszej części artykułu zostanie powiedziane, że jest to -dźwignia pierwszego rodzaju. Tutaj litery F i R oznaczają odpowiednio siłę zewnętrzną i pewną wagę ładunku. Widać również, że podpora jest odsunięta od środka, więc długości ramion dF i dR nie są sobie równe.
W statyce pokazano, że dźwignia nie porusza się jako cały mechanizm, suma wszystkich sił działających na nią musi być równa zeru. Odnotowaliśmy tylko dwa z nich. W rzeczywistości jest jeszcze trzecia, przeciwna do tych dwóch i równa ich sumie - to jest reakcja wsparcia.
Aby dźwignia nie wykonywała ruchów obrotowych, konieczne jest, aby suma wszystkich momentów sił była równa zeru. Ramię siły reakcji podpory wynosi zero, więc nie tworzy momentu. Pozostaje spisać momenty sił F i R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Zapisany stan równowagi dźwigni jako wzór, również podany:
dR/dF=F/R
Ta równość oznacza, że aby dźwignia się nie obracała, siła zewnętrzna musi być tyle razy większa (mniejsza) niż ciężar podnoszonego ładunku, ile razy ramię tej siły jest mniejsze (większa) niż ramię, na którym ciężar oddziałuje na ładunek.
Podane sformułowanie oznacza, że ile razy wygrywamy po drodze za pomocą rozpatrywanego mechanizmu, tracimy tyle samo na sile.
Dźwignia pierwszego rodzaju
Pokazano to w poprzednim akapicie. Tutaj tylko mówimy, że dla dźwigni tego typu podpora znajduje się pomiędzy siłami działającymi F i R. W zależności od stosunku długości ramion taka dźwignia możebyć używany zarówno do podnoszenia ciężarów, jak i do przyspieszania ciała.
Wagi mechaniczne, nożyczki, ściągacz do gwoździ, katapulta to przykłady dźwigni pierwszego rodzaju.
W przypadku wagi mamy dwa ramiona tej samej długości, więc równowagę dźwigni uzyskuje się tylko wtedy, gdy siły F i R są sobie równe. Fakt ten jest wykorzystywany do ważenia ciał o nieznanej masie przez porównanie go z wartością referencyjną.
Nożyczki i ściągacz do gwoździ są najlepszymi przykładami nabierania siły, ale utraty po drodze. Wszyscy wiedzą, że im bliżej osi nożyczek leży kartka papieru, tym łatwiej ją przeciąć. Wręcz przeciwnie, jeśli spróbujesz przeciąć papier czubkami nożyczek, istnieje duże prawdopodobieństwo, że zaczną go „żuć”. Im dłuższy uchwyt nożyczek lub ściągacza do gwoździ, tym łatwiej wykonać odpowiednią operację.
Jeśli chodzi o katapultę, jest to żywy przykład zdobywania przy pomocy dźwigni po drodze, a zatem przyspieszenia, jakie jej ramię nadaje pociskowi.
Drugi rodzaj dźwigni
We wszystkich dźwigniach drugiego rodzaju podpora znajduje się w pobliżu jednego z końców belki. Taki układ prowadzi do obecności tylko jednego ramienia na dźwigni. W tym przypadku ciężar ładunku zawsze znajduje się między podporą a siłą zewnętrzną F. Układ sił w dźwigni drugiego rodzaju prowadzi do jedynego użytecznego rezultatu: przyrostu siły.
Przykładami tego typu dźwigni są taczki, które służą do przewożenia ciężkich ładunków i dziadek do orzechów. W obu przypadkach strata po drodze nie ma wartości ujemnej. Tak więc w przypadku instrukcjitaczki, ważne jest tylko utrzymywanie ciężaru ładunku podczas jazdy. W tym przypadku przyłożona siła jest kilkakrotnie mniejsza niż ciężar ładunku.
Dźwignia trzeciego rodzaju
Konstrukcja tego typu dźwigni jest pod wieloma względami podobna do poprzedniej. Podpora w tym przypadku również znajduje się na jednym z końców belki, a dźwignia ma jedno ramię. Jednak lokalizacja działających w nim sił jest zupełnie inna niż w dźwigni drugiego rodzaju. Punkt przyłożenia siły F znajduje się pomiędzy ciężarem ładunku a podporą.
Łopata, barierka, wędka i pęseta to uderzające przykłady tego typu dźwigni. We wszystkich tych przypadkach wygrywamy po drodze, ale następuje znaczna utrata siły. Na przykład, aby utrzymać ciężki ładunek pęsetą, należy przyłożyć dużą siłę F, więc używanie tego narzędzia nie oznacza trzymania za jego pomocą ciężkich przedmiotów.
Podsumowując, zauważamy, że wszystkie rodzaje dźwigni działają na tej samej zasadzie. Nie dają zysku w pracy związanej z przemieszczaniem towarów, a jedynie pozwalają na redystrybucję tej pracy w kierunku wygodniejszej jej realizacji.
