Conţinut
- Fundamentele fizicii newtoniene
- Prezentare generală a mașinilor simple
- Bazele pârghiei
- Momentul și momentele în fizică
- Terminologie și tipuri de pârghii
- Exemple de levier compus
- Calculul forței brațelor pârghiei
Practic toată lumea știe ce a pârghie este, deși majoritatea oamenilor ar putea fi surprinși să învețe cât de larg este o gamă largă de mașini simple calificați ca atare.
În mod slab, o pârghie este o unealtă care este folosită pentru a „priva” ceva afânat într-un mod pe care niciun alt aparat nemotorizat nu le poate gestiona; în limbajul de zi cu zi, se spune că cineva care a reușit să obțină o formă unică de putere asupra unei situații are „levier”.
Învățarea despre pârghii și cum să aplici ecuațiile referitoare la utilizarea lor este unul dintre procesele mai pline de satisfacție oferite de fizica. Include un pic despre forță și cuplu, introduce conceptul contra-intuitiv, dar crucial al înmulțirea forțelorși vă apelează la concepte de bază, cum ar fi muncă și forme de energie în chilipir.
Unul dintre avantajele principale ale pârghiilor este că acestea pot fi „stivuite” cu ușurință, astfel încât să creeze un semnificativ avantaj mecanic. Calculele pârghiilor compuse ajută la ilustrarea cât de puternic și umil poate fi un „lanț” bine conceput de mașini simple.
Fundamentele fizicii newtoniene
Isaac Newton (1642–1726), pe lângă faptul că a fost creditat că a inventat disciplina matematică a calculului, s-a extins asupra activității lui Galileo Galilei pentru a dezvolta relații formale între energie și mișcare. Concret, el a propus, printre altele, că:
Obiectele rezistă schimbărilor la viteza lor într-o manieră proporțională cu masa lor (legea inerției, prima lege a lui Newtons);
O cantitate numită forta actioneaza asupra maselor pentru a schimba viteza, proces numit accelerare (F = ma, A doua lege Newtons);
O cantitate numită impuls, produsul masei și vitezei, este foarte util în calcule prin faptul că este conservat (adică, cantitatea totală nu se schimbă) în sistemele fizice închise. Total energie este de asemenea conservat.
Combinând o serie de elemente ale acestor relații rezultă conceptul de muncă, care este forța s-a înmulțit printr-o distanță: W = Fx. Prin această lentilă începe studiul pârghiilor.
Prezentare generală a mașinilor simple
Pârghiile aparțin unei clase de dispozitive cunoscute sub numele de mașini simple, care include, de asemenea angrenaje, scripete, avioane înclinate, pene și șuruburi. (Cuvântul „mașină” însuși provine de la un cuvânt grecesc, care înseamnă „a ajuta mai ușor”.)
Toate mașinile simple au o singură trăsătură: înmulțesc forța în detrimentul distanței (iar distanța adăugată este adesea ascunsă în mod inteligent). Legea conservării energiei afirmă că niciun sistem nu poate „crea” lucrări din nimic, ci pentru că W = Fx, chiar dacă valoarea lui W este restricționată, celelalte două variabile din ecuație nu sunt.
Variabila de interes pentru o mașină simplă este avantaj mecanic, care este doar raportul dintre forța de ieșire și forța de intrare: MA = Fo/ Feu. Adesea, această cantitate este exprimată ca: avantaj mecanic idealsau IMA, care este avantajul mecanic de care s-ar bucura mașina dacă nu sunt prezente forțe de frecare.
Bazele pârghiei
O manetă simplă este o tijă solidă de un fel care este liber să pivoteze asupra unui punct fix numit a punct de sprijin dacă forțele sunt aplicate pe pârghie. Fulcul poate fi amplasat la orice distanță de-a lungul lungimii manetei. Dacă pârghia se confruntă cu forțe sub formă de cupluri, care sunt forțe care acționează în jurul unei axe de rotație, maneta nu se va mișca cu condiția ca suma forțelor (cuplurilor) care acționează pe tija să fie zero.
Cuplul este produsul unei forțe aplicate plus distanța față de fulcru. Astfel, un sistem constând dintr-o singură pârghie supusă a două forțe F1 și F2 la distanțe x1 și x2 din fulcru este în echilibru când F1X1 = F2X2.
Printre alte interpretări valide, această relație înseamnă că o forță puternică care acționează pe distanță scurtă poate fi contrabalansată cu precizie (presupunând că nu există pierderi de energie datorate frecării) de o forță mai slabă care acționează pe o distanță mai lungă și în mod proporțional.
Momentul și momentele în fizică
Distanța dintre fulcru și punctul în care se aplică o forță unei pârghii este cunoscută sub numele de maneta, sau moment braț. (În aceste ecuații, s-a exprimat folosind „x” pentru simplitatea vizuală; alte surse pot utiliza „min.”)
Cuplurile nu trebuie să acționeze în unghi drept față de pârghii, deși pentru orice forță aplicată, un unghi drept (adică 90 °) produce cantitatea maximă de forță, deoarece, pur și simplu materia este oarecum, păcat 90 ° = 1.
Pentru ca un obiect să fie în echilibru, sumele forțelor și cuplurile care acționează asupra acelui obiect trebuie să fie ambele zero. Aceasta înseamnă că toate momentele în sensul acelor de ceasornic trebuie să fie echilibrate exact cu cuplurile de ceasornic.
Terminologie și tipuri de pârghii
De obicei, ideea aplicării unei forțe pe o pârghie este de a muta ceva prin „pârghierea” compromisului cu două sensuri asigurat între forță și braț. Forța pe care încercați să o opuneți se numește forța de rezistență, iar forța dvs. de intrare este cunoscută sub numele de forța de efort. Astfel, puteți gândi la forța de ieșire ca atingerea valorii forței de rezistență în momentul în care obiectul începe să se rotească (adică, atunci când condițiile de echilibru nu mai sunt îndeplinite.
Datorită relațiilor dintre muncă, forță și distanță, MA poate fi exprimată astfel
MA = Fr/ Fe = de/ dr
Unde De este distanța în care brațul de efort se mișcă (rotativ vorbind) și dr este distanța în care se mișcă brațul pârghiei de rezistență.
Pârghiile vin trei tipuri.
Exemple de levier compus
A pârghia compusă este o serie de pârghii care acționează în mod concertat, astfel încât forța de ieșire a unei pârghii devine forța de intrare a următoarei pârghii, permițând astfel în cele din urmă pentru un grad extraordinar de înmulțire a forței.
Tastele pentru pian reprezintă un exemplu al rezultatelor splendide care pot rezulta din mașinile de construcție care dispun de pârghii compuse. Un exemplu mai ușor de vizualizat este un set tipic de tăietori de unghii. Cu acestea, aplicați forța pe un mâner care atrage două bucăți de metal împreună printr-un șurub. Mânerul este îmbinat la partea superioară de metal prin acest șurub, creând un fulcrum, iar cele două piese sunt unite de un al doilea fulcrum la capătul opus.
Rețineți că atunci când aplicați forța pe mâner, acesta se deplasează mult mai departe (dacă este doar un inci sau ceva mai mult) decât cele două capete tăioase ascuțite, care trebuie doar să se miște câțiva milimetri pentru a se apropia împreună și pentru a-și face treaba. Forța pe care o aplicați se înmulțește cu ușurință datorită dr fiind atât de mic.
Calculul forței brațelor pârghiei
O forță de 50 newtoni (N) este aplicată în sens orar la o distanță de 4 metri (m) de un fulcrum. Ce forță trebuie aplicată la o distanță de 100 m de cealaltă parte a fulcrului pentru a echilibra această sarcină?
Aici, alocați variabile și setați o proporție simplă. F1= 50 N, x1 = 4 m și x2 = 100 m.
Știi că F1X1 = F2X2, deci x2 = F1X1/ F2 = (50 N) (4 m) / 100 m = 2 N.
Astfel, este nevoie doar de o forță minusculă pentru a compensa încărcarea de rezistență, atât timp cât sunteți dispus să stați la distanța unui teren de fotbal pentru a o duce la bun sfârșit!