Ludzkość od dawna używa prostych maszyn i mechanizmów, aby uczynić pracę fizyczną łatwiejszą i prostszą. Jednym z tych mechanizmów jest dźwignia. Czym jest dźwignia w fizyce, jaki wzór opisuje jej równowagę i jakie są rodzaje dźwigni – wszystkie te pytania ujawniamy w artykule.
Koncepcja
Dźwignia w fizyce to mechanizm składający się z belki lub deski i jednej podpory. Wspornik generalnie dzieli belkę na dwie nierówne części, zwane ramionami dźwigni. Ten ostatni może wykonywać ruch obrotowy wokół punktu podparcia.
Będąc prostym mechanizmem, dźwignia została zaprojektowana do wykonywania pracy fizycznej ze wzmocnieniem mocy lub ruchu. Przyłożone siły działają na ramiona dźwigni podczas jej działania. Jednym z nich jest siła oporu. Tworzy go ciężar ładunku, który należy przesunąć (podnieść). Druga siła to pewna siła zewnętrzna, która w większości przypadków jest przykładana do ramienia dźwigni za pomocą ludzkich rąk.
Powyższy rysunek przedstawia typową dźwignię zdwa ramiona. W dalszej części artykułu wyjaśnimy, dlaczego odnosi się to do dźwigni drugiego rodzaju.
Zasada dźwigni wygląda tak:
SiłaSiła ramienia=ZaładujZaładuj ramię
Moment siły
Zróbmy pewną dygresję na temat dźwigni w fizyce i rozważmy ważną wielkość fizyczną dla zrozumienia jej działania. Chodzi o moment siły. Jest to iloczyn siły i długości ramienia jej przyłożenia, który matematycznie zapisuje się w następujący sposób:
M=Fd
Ważne jest, aby nie pomylić ramienia siły d i ramienia dźwigni, ogólnie są to różne koncepcje.
Moment siły pokazuje zdolność tego ostatniego do wykonania skrętu w systemie. Wiele osób wie więc, że dużo łatwiej otworzyć drzwi za klamkę niż docisnąć do zawiasów, albo łatwiej odkręcić nakrętkę na ryglu długim kluczem niż krótkim.
Moment siły jest wektorem. Aby zrozumieć działanie prostego mechanizmu dźwigniowego w fizyce, wystarczy wiedzieć, że moment jest uważany za dodatni, jeśli siła ma tendencję do obracania ramienia dźwigni w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Jeśli ma tendencję do skręcania się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, moment ten należy przyjąć ze znakiem minus.
Równowaga dźwigni w fizyce
Aby ułatwić zrozumienie, w jakich warunkach dźwignia będzie w równowadze, rozważ poniższy rysunek.
Pokazane są tutaj dwie siły: obciążenie R i siła zewnętrzna F przyłożone w celu przezwyciężenia tegomasa. Ramiona tych sił są równe odpowiednio dR i dF. W rzeczywistości istnieje inna siła - reakcja podpory, która działa pionowo w górę w miejscu styku belki z podporą dźwigni. Ponieważ ramię tej siły jest równe zeru, nie będzie ono dalej brane pod uwagę przy określaniu warunku równowagi.
Według statyki obrót układu jest niemożliwy, jeśli suma momentów sił zewnętrznych jest równa zeru. Zapiszmy sumę tych chwil, biorąc pod uwagę ich znak:
RdR- FdF=0.
Zapisana równość odzwierciedla wystarczający warunek równowagi dla dźwigni. Jeśli na dźwignię nie działają dwie siły, ale więcej, ten stan będzie nadal występował. Tylko zamiast sumy dwóch momentów sił trzeba będzie znaleźć sumę wszystkich momentów działających sił i zrównać je z zero.
Wygrana jest silna i w drodze
Wyrażenie na momenty sił dźwigni w fizyce, które zostało napisane w poprzednim akapicie, zostanie przepisane w następującej postaci:
RdR=FdF
Z powyższego wzoru wynika:
dR / dF=F / R.
Ta równość mówi, że w celu utrzymania równowagi konieczne jest, aby siła F była tyle razy większa niż ciężar ładunku R, ile razy jego ramię dF mniej niż ramię d R. Ponieważ większe ramię w trakcie przesuwania dźwigni pokonuje dłuższą drogę niż ramię mniejsze, mamy możliwość wykonania tej samej pracy za pomocą dźwigni na dwa sposoby:
- przyłóż więcej siły F i przesuń ramię dokrótki dystans;
- przyłóż niewielką siłę F i przesuń ramię na dużą odległość.
W pierwszym przypadku mówi się o wzroście na drodze w procesie przesuwania ładunku R, w drugim przypadku uzyskuje się wzrost siły, ponieważ F < R.
Gdzie jest używana dźwignia i co to jest?
W zależności od punktu przyłożenia sił dźwigni w fizyce i położenia podpory najprostszy mechanizm może mieć trzy typy:
- Jest to dźwignia dwuramienna, w której pozycja podparcia jest równo usunięta z obu końców belki. W zależności od proporcji długości ramion, ten rodzaj dźwigni pozwala wygrywać zarówno na drodze, jak i na siłę. Przykładami jego zastosowania są wagi, szczypce, nożyczki, ściągacz do gwoździ, huśtawka dla dzieci.
- Drugi rodzaj dźwigni jest jednoramienny, co oznacza, że podpora znajduje się przy jednym z jej końców. W tym przypadku siła zewnętrzna jest przyłożona do drugiego końca belki, a siła obciążenia działa między podporą a siłą zewnętrzną, co pozwala wygrać właśnie w tej sile. Taczki lub dziadek do orzechów to najlepsze przykłady tego rodzaju dźwigni.
- Trzeci typ mechanizmu jest reprezentowany przez przykłady, takie jak wędka lub pęseta. Ta dźwignia jest również jednoramienna, ale przyłożona siła zewnętrzna jest już bliżej podpory niż punkt przyłożenia obciążenia. Taka konstrukcja prostego mechanizmu pozwala wygrywać na drodze, ale tracić na sile. Dlatego trudno jest utrzymać małą rybę na ciężarze na końcu wędki lub ciężki przedmiot pęsetą.
Przypomnijmy, dźwignia w fizyce pozwala tylkoułatwiają wykonywanie tej lub innej pracy związanej z przenoszeniem towarów, ale nie pozwalają ci wygrać w tej pracy.
