Az emberiség régóta használ egyszerű gépeket és mechanizmusokat, hogy megkönnyítse és egyszerűbbé tegye a fizikai munkát. Az egyik ilyen mechanizmus a kar. Mi az a kar a fizikában, milyen képlet írja le az egyensúlyát, és milyen típusú karok - mindezek a kérdések a cikkből kiderül.
Koncepció
A kar a fizikában egy olyan mechanizmus, amely egy gerendából vagy deszkából és egy támaszból áll. A tartó általában két egyenlőtlen részre osztja a gerendát, amelyeket emelőkaroknak nevezünk. Ez utóbbi képes a támaszpont körül forgó mozgást végrehajtani.
Egyszerű mechanizmus lévén a kart arra tervezték, hogy fizikai munkát végezzen erőnövekedéssel vagy szállítás közben. Az alkalmazott erők működése során a kar karjaira hatnak. Ezek egyike az ellenállás ereje. A mozgatandó (emelni) teher súlya hozza létre. A második erő valamilyen külső erő, amely a legtöbb esetben emberi kéz segítségével hat a karra.
A fenti képen egy tipikus kar láthatókét váll. A cikk későbbi részében elmagyarázzuk, miért utal a második típusú tőkeáttételre.
A kar szabálya így néz ki:
ErőErőkar=TerhelésTerhelési kar
Az erő pillanata
Tegyünk egy kis kitérőt a fizika karjának témájától, és vegyünk egy fontos fizikai mennyiséget a működés megértéséhez. Az erő pillanatáról van szó. Ez az erő és az alkalmazási kar hosszának szorzata, amelyet matematikailag a következőképpen írunk le:
M=Fd
Fontos, hogy ne keverjük össze a d erő karját és a kar karját, általában ezek különböző fogalmak.
Az erőnyomaték azt mutatja, hogy az utóbbi mennyire képes fordulatot tenni a rendszerben. Sokan tehát tudják, hogy sokkal könnyebb a kilincsnél fogva kinyitni az ajtót, mint a zsanérokhoz közel tolni, vagy a csavar anyáját könnyebb kicsavarni egy hosszú kulccsal, mint egy rövidvel.
Az erőpillanat vektor. Ahhoz, hogy megértsük egy egyszerű emelős mechanizmus működését a fizikában, elegendő tudni, hogy a pillanat pozitívnak tekinthető, ha az erő az óramutató járásával ellentétes irányba forgatja a kar kart. Ha az óramutató járásával megegyező irányba szokott fordulni, akkor a pillanatot mínusz előjellel kell venni.
Egyensúly a fizikában
Annak érdekében, hogy könnyebben érthető legyen, milyen feltételek mellett lesz egyensúlyban a kar, tekintse át a következő ábrát.
Két erő látható itt: egy R terhelés és egy F külső erő, amelyet ennek leküzdésére alkalmaznak.terhelések. Ezeknek az erőknek a karja dR és dF. Valójában van egy másik erő - a támasz reakciója, amely függőlegesen felfelé hat a gerenda és a kar támasztékának érintkezési pontján. Mivel ennek az erőnek a válla nullával egyenlő, az egyensúlyi feltétel meghatározásakor nem vesszük figyelembe.
A statika szerint a rendszer forgása lehetetlen, ha a külső erők nyomatékainak összege nulla. Írjuk fel ezeknek a pillanatoknak az összegét, figyelembe véve előjelüket:
RdR- FdF=0.
Az írott egyenlőség a kar elegendő egyensúlyi feltételét tükrözi. Ha nem két erő hat a kart, hanem több, akkor ez az állapot akkor is megmarad. Csak a két nyomaték összege helyett meg kell találni a ható erők összes nyomatékának összegét, és egyenlővé kell tenni őket nullával.
A győzelem erős és úton van
A fizikában az emelőkaros erők momentumainak kifejezése, amelyet az előző bekezdésben írtunk, a következő formában lesz átírva:
RdR=FdF
A fenti képletből a következő:
dR / dF=F / R.
Ez az egyenlőség azt mondja, hogy az egyensúly fenntartásához szükséges, hogy az F erő annyiszor legyen nagyobb, mint az R teher súlya, hányszorosa a karja dF kisebb, mint a kar d R. Mivel a kar mozgatása közben a nagyobb kar hosszabb utat tesz meg, mint a kisebb kar, így kétféleképpen is lehetőségünk nyílik ugyanazt a munkát a kar segítségével elvégezni:
- alkalmazzon nagyobb erőt F, és mozgassa a vállátrövid távolság;
- alkalmazzon egy kis F erőt, és mozgassa a vállát nagy távolságra.
Az első esetben az R teher mozgatása során menet közbeni nyereségről beszélünk, a második esetben pedig az erőnövekedésről, mivel F < R.
Hol használják a tőkeáttételt, és mik azok?
Az emelőkaros erők fizika alkalmazási helyétől és a támasz helyzetétől függően a legegyszerűbb mechanizmus háromféle lehet:
- Ez egy kétkarú kar, amelyben a támasztóhelyzet egyformán távolodik el a gerenda mindkét végétől. A karok hosszának arányától függően ez a típusú kar lehetővé teszi, hogy mind az úton, mind az erőben nyerjen. Használata például mérleg, fogó, olló, körömhúzó, babahinta.
- A második típusú kar egykarú, azaz a támaszték az egyik vége közelében található. Ebben az esetben a külső erő a gerenda másik végére hat, és a terhelő erő a támasz és a külső erő között hat, ami lehetővé teszi, hogy ebben az erőben nyerjen. A talicska vagy a diótörő kiváló példája ennek a fajta tőkeáttételnek.
- A harmadik típusú mechanizmust olyan példák képviselik, mint a horgászbot vagy a csipesz. Ez a kar is egykarú, de a külső kifejtett erő már közelebb van a támaszhoz, mint a terhelés alkalmazási pontja. Ez az egyszerű mechanizmus lehetővé teszi, hogy nyerjen az úton, de veszítsen erejében. Ezért nehéz egy kis halat a horgászbot végén lévő súlyon vagy egy nehéz tárgyon csipesszel megtartani.
Még egyszer mondom, a fizika karja csak ezt teszi lehetővékényelmessé tegye az árumozgatási munkák elvégzését, de nem teszi lehetővé, hogy nyerjen ebben a munkában.
