Зміст
- Основи ньютонівської фізики
- Огляд простих машин
- Основи важеля
- Крутний момент і моменти у фізиці
- Термінологія та види важелів
- Приклади складного важеля
- Розрахунок сили важеля
Практично всі знають, що таке важіль є, хоча більшість людей може бути здивована, дізнавшись, як широкий діапазон прості машини кваліфікуються як такі.
Відомо кажучи, важіль - це інструмент, який використовується для того, щоб «зірвати» щось вільне таким чином, що жоден інший немоторизований апарат не може керувати; у повсякденній мові той, хто зумів здобути унікальну форму влади над ситуацією, як вважається, має "важелі".
Дізнатися про важелі та як застосовувати рівняння, що стосуються їх використання, є одним із найбільш корисних процесів, що вводиться з фізики. Він включає трохи про силу та крутний момент, вводить контр-інтуїтивну, але вирішальну концепцію примноження сил, і набирає вас до основних понять, таких як робота і форми енергії в угоді.
Однією з головних переваг важелів є те, що їх можна легко «укласти» таким чином, щоб створити значне механічна перевага. Складні обчислення важелів допомагають проілюструвати, наскільки потужним, але скромним може бути добре спроектований «ланцюжок» простих машин.
Основи ньютонівської фізики
Ісаак Ньютон (1642–1726), крім того, що йому приписували спільне винайдення математичної дисципліни числення, розширили роботу Галілея Галілея щодо розвитку формальних зв’язків між енергією та рухом. Зокрема, він запропонував, серед іншого,:
Об'єкти протистоять змінам своєї швидкості таким чином, пропорційно їхній масі (закон інерції, перший закон Ньютона);
Кількість, що називається сила діє на маси для зміни швидкості, називається процес прискорення (F = ma, Другий закон Ньютона);
Кількість, що називається імпульс, добуток маси та швидкості, дуже корисний для розрахунків тим, що він зберігається (тобто його загальна кількість не змінюється) у закритих фізичних системах. Всього енергія також зберігається.
Поєднання ряду елементів цих відносин призводить до концепції робота, який сила, помножена на відстань: W = Fx. Саме через цю лінзу починається вивчення важелів.
Огляд простих машин
Важелі належать до класу пристроїв, відомих як прості машини, що також включає шестірні, шківи, похилі площини, клини і гвинти. (Саме слово "машина" походить від грецького слова, що означає "допомогти полегшити".)
Всі прості машини мають одну ознаку: вони примножують силу за рахунок відстані (а додана відстань часто хитро прихована). Закон збереження енергії підтверджує, що жодна система не може "створити" роботу з нічого, а тому W = Жx, навіть якщо значення W обмежене, інші дві змінні рівняння не є.
Змінна інтерес до простої машини - це її механічна перевага, що є лише відношенням вихідної сили до вхідної сили: MA = Fо/ Жi. Часто ця кількість виражається як ідеальна механічна перевагаабо IMA, що є механічною перевагою, якою машина користувалася б, якщо б не було сил тертя.
Основи важеля
Простий важіль - це суцільний стрижень певного типу, який вільно обертається навколо нерухомої точки, що називається a опора якщо сили прикладені до важеля. Орієнтир може розташовуватися на будь-якій відстані по довжині важеля. Якщо важіль відчуває сили у вигляді крутних моментів, це сили, що діють навколо осі обертання, важіль не рухатиметься за умови, що сума сил (крутних моментів), що діють на стержень, дорівнює нулю.
Крутний момент - добуток прикладеної сили плюс відстань від опорної точки. Таким чином, система, що складається з одного важеля, підлягає двом силам Ж1 і Ж2 на відстані х1 і х2 від опори знаходиться в рівновазі, коли Ж1х1 = Ж2х2.
Серед інших справедливих інтерпретацій цей взаємозв'язок означає, що сильна сила, що діє на короткі відстані, може бути точно врівноважена (припускаючи втрати енергії внаслідок тертя) слабшою силою, що діє на більшу відстань, і пропорційно.
Крутний момент і моменти у фізиці
Відстань від опорного пункту до точки, в якій сила прикладається до важеля, відома як важіль, або момент рука. (У цих рівняннях це виражається за допомогою "х" для візуальної простоти; інші джерела можуть використовувати малі літери "l.")
Крутячі моменти не повинні діяти під прямим кутом до важелів, хоча для будь-якої прикладеної сили правий (тобто 90 °) кут дає максимальну силу, тому що, просто кажучи, дещо, sin 90 ° = 1.
Для того, щоб об'єкт перебував у рівновазі, суми сил і крутних моментів, що діють на цей об'єкт, повинні бути дорівнює нулю. Це означає, що всі моменти за годинниковою стрілкою повинні бути врівноважені точно за мотивами проти годинникової стрілки.
Термінологія та види важелів
Зазвичай ідея застосування сили до важеля полягає в тому, щоб щось перемістити, "використовуючи" впевнений двосторонній компроміс між силою та важелем. Сила, якій ви намагаєтесь протистояти, називається сила опору, а ваша власна сила введення відома як зусилля. Таким чином, ви можете думати про вихідну силу як про досягнення сили опору в той момент, коли об'єкт починає обертатися (тобто коли умови рівноваги більше не дотримуються.
Завдяки взаємозв'язкам між роботою, силою та дистанцією, МА це можна виразити як
MA = Fr/ Же = dе/ дr
Де dе - відстань, на яку рухається рука зусилля (обертово кажучи) і dr - відстань, на яку рухається важіль опору.
Важелі заходять три типи.
Приклади складного важеля
А складний важіль являє собою ряд важелів, що діють узгоджено, таким чином, що вихідна сила одного важеля стає вхідною силою наступного важеля, таким чином, дозволяючи в кінцевому рахунку отримати величезну ступінь примноження сили.
Клавіші фортепіано є одним із прикладів чудових результатів, які можуть виникнути в результаті побудови машин, які мають складні важелі. Простішим прикладом для візуалізації є типовий набір стрижок для нігтів. За допомогою цього ви застосовуєте силу до ручки, яка втягує два шматки металу разом за допомогою гвинта. Ручка з'єднується з верхнім шматком металу цим гвинтом, створюючи один опорний шар, а два шматки з'єднані другим опорним пунктом на протилежному кінці.
Зауважте, що коли ви застосовуєте силу до ручки, вона переміщується набагато далі (хоч на дюйм або близько того), ніж два гострих кінця машинки для стрижки, для чого потрібно лише просунутись на пару міліметрів, щоб зблизитися і зробити свою роботу. Сила, яку ви застосовуєте, легко примножується завдяки dr будучи таким маленьким.
Розрахунок сили важеля
Сила 50 ньютонів (N) застосовується за годинниковою стрілкою на відстані 4 метрів (м) від опорної точки. Яку силу потрібно застосувати на відстані 100 м з іншого боку опорної точки, щоб збалансувати це навантаження?
Тут призначте змінні та встановіть просту пропорцію. Ж1= 50 Н, х1 = 4 м і х2 = 100 м.
Ви знаєте, що F1х1 = F2х2, так х2 = F1х1/ Ж2 = (50 Н) (4 м) / 100 м = 2 Н.
Таким чином, потрібна лише крихітна сила, щоб компенсувати навантаження на опір, доки ви готові витримати довжину футбольного поля, щоб це зробити!