تعادل در فیزیک حالتی از سیستم است که در آن نسبت به اجسام اطراف در آرامش نسبی است. استاتیک مطالعه شرایط تعادل است. یکی از مکانیسم هایی که آگاهی از شرایط تعادل برای عملکرد آن از اهمیت اساسی برخوردار است، اهرم است. در مقاله در نظر بگیرید که چه نوع اهرمی وجود دارد.
در فیزیک چیست؟
قبل از اینکه در مورد انواع اهرم صحبت کنیم (در فیزیک کلاس 7 از این مبحث عبور می کند) اجازه دهید این دستگاه را تعریف کنیم. اهرم مکانیزم ساده ای است که به شما امکان می دهد نیرو را به فاصله و بالعکس تبدیل کنید. اهرم یک وسیله ساده دارد، از یک تیر (تخته، میله) تشکیل شده است که طول مشخصی دارد و یک تکیه گاه. موقعیت تکیه گاه ثابت نیست، بنابراین می توان آن را هم در وسط تیر و هم در انتهای آن قرار داد. فوراً متذکر می شویم که موقعیت تکیه گاه به طور کلی نوع اهرم را تعیین می کند.
دومی از زمان های بسیار قدیم توسط انسان استفاده می شده است. پس معلوم است که در بین النهرین باستان یا در مصر به کمک آن آب را از رودخانه ها بیرون می آوردند یا سنگ های بزرگ را جابجا می کردند.ساخت سازه های مختلف به طور فعال از اهرم در یونان باستان استفاده می کرد. تنها مدرک مکتوب که از استفاده از این مکانیسم ساده باقی مانده است، "زندگی های موازی" پلوتارک است، جایی که فیلسوف نمونه ای از استفاده ارشمیدس از سیستم بلوک ها و اهرم ها را ارائه می دهد.
مفهوم گشتاور
درک اصل عملکرد انواع مختلف اهرم ها در فیزیک در صورتی امکان پذیر است که مسئله تعادل مکانیسم مورد بررسی را مطالعه کنید که ارتباط نزدیکی با مفهوم گشتاور نیرو دارد.
لحظه نیرو مقداری است که از ضرب نیرو در فاصله نقطه اعمال آن تا محور چرخش به دست می آید. این فاصله را «شانه نیرو» می نامند. بیایید F و d - نیرو و شانه آن را به ترتیب نشان دهیم، سپس می‌گیریم:
M=Fd
لمان نیرو توانایی چرخش حول این محور کل سیستم را فراهم می کند. مثال‌های واضحی که در آن می‌توانید لحظه‌ی نیرو را مشاهده کنید، باز کردن پیچ مهره با آچار یا باز کردن دری با دستگیره‌ای است که از لولاهای در دور است.
گشتاور یک کمیت برداری است. در حل مشکلات، اغلب باید نشانه آن را در نظر گرفت. باید به خاطر داشت که هر نیرویی که سیستم اجسام را در خلاف جهت عقربه‌های ساعت بچرخاند، یک لحظه نیرو با علامت + ایجاد می‌کند.
ترازو اهرم
شکل بالا یک اهرم معمولی را نشان می دهد و نیروهای وارد بر آن مشخص شده اند. بعداً در مقاله گفته می شود که این است -اهرم از نوع اول در اینجا حروف F و R به ترتیب بیانگر نیروی خارجی و وزن معینی از بار هستند. همچنین می‌توانید ببینید که ساپورت از مرکز خارج شده است، بنابراین طول بازوهای dF و dR با یکدیگر برابر نیستند.
در استاتیک نشان داده شده است که اهرم به عنوان یک مکانیسم کامل حرکت نمی کند، مجموع تمام نیروهایی که بر آن وارد می شوند باید برابر با صفر باشد. ما فقط به دو مورد از آنها اشاره کرده ایم. در واقع یک سومی نیز وجود دارد که مخالف این دو و برابر با مجموع آنهاست - این واکنش حمایتی است.
برای اینکه اهرم حرکات چرخشی انجام ندهد لازم است که مجموع تمام گشتاور نیروها برابر با صفر باشد. شانه نیروی واکنش تکیه گاه صفر است، بنابراین لحظه ای ایجاد نمی کند. باقی مانده است که لحظات نیروهای F و R را بنویسیم:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
شرایط تعادل اهرمی به عنوان فرمول ثبت شده، همچنین داده شده است:
dR/dF=F/R
این برابری بدین معناست که برای اینکه اهرم نچرخد، نیروی خارجی باید چند برابر (کمتر) از وزن باری که برداشته می شود، چند برابر بازوی این نیرو کمتر باشد (بزرگتر از بازویی که وزن بر روی آن بار وارد می شود.
جمله بندی داده شده به این معنی است که هر چند بار در راه با کمک مکانیسم مورد نظر برنده شویم، همان مقدار قدرت را از دست می دهیم.
اهرم از نوع اول
در پاراگراف قبلی نشان داده شد. در اینجا فقط می گوییم که برای اهرمی از این نوع، تکیه گاه بین نیروهای عامل F و R قرار دارد. بسته به نسبت طول بازوها، چنین اهرمی می تواندهم برای بلند کردن وزنه و هم برای شتاب دادن به بدن استفاده شود.
ترازوهای مکانیکی، قیچی، میخ کش، منجنیق نمونه هایی از اهرم های نوع اول هستند.
در مورد تعادل، ما دو بازو با طول یکسان داریم، بنابراین تعادل اهرم تنها زمانی حاصل می شود که نیروهای F و R با یکدیگر برابر باشند. این واقعیت برای وزن کردن اجسام با جرم ناشناخته با مقایسه آن با مقدار مرجع استفاده می شود.
قیچی و کشنده ناخن نمونه های بارز قدرت گرفتن اما از دست دادن در طول راه هستند. همه می دانند که هر چه یک ورق کاغذ به محور قیچی نزدیک تر باشد، برش آن آسان تر است. برعکس، اگر سعی کنید کاغذ را با نوک قیچی برش دهید، احتمال زیادی وجود دارد که آنها شروع به "جویدن" آن کنند. هرچه دسته قیچی یا میخ کش بلندتر باشد، انجام عملیات مربوطه آسان تر است.
در مورد منجنیق، این یک مثال واضح از به دست آوردن با کمک یک اهرم در راه است و بنابراین در شتابی که شانه آن به پرتابه می دهد.
اهرم نوع دوم
در تمام اهرم های نوع دوم، تکیه گاه در نزدیکی یکی از انتهای تیر قرار دارد. این ترتیب منجر به حضور تنها یک شانه در اهرم می شود. در این حالت، وزن بار همیشه بین تکیه گاه و نیروی خارجی F قرار می گیرد. آرایش نیروها در اهرم نوع دوم تنها نتیجه مفید را به دنبال دارد: افزایش قدرت.
نمونه هایی از این نوع اهرم، چرخ دستی است که برای حمل بارهای سنگین استفاده می شود و فندق شکن. در هر دو صورت ضرر در مسیر هیچ ارزش منفی ندارد. بنابراین، در مورد دستیدر چرخ دستی ها، تنها نگه داشتن بار روی وزن در حین حرکت مهم است. در این حالت نیروی اعمالی چندین برابر کمتر از وزن بار است.
اهرم نوع سوم
طراحی این نوع اهرم از بسیاری جهات شبیه به اهرم قبلی است. تکیه گاه در این مورد نیز در یکی از انتهای تیر قرار دارد و اهرم دارای یک بازو است. با این حال، مکان نیروهای عامل در آن با اهرم نوع دوم کاملاً متفاوت است. نقطه اعمال نیروی F بین وزن بار و تکیه گاه است.
بیل، مانع، میله ماهیگیری و موچین نمونه های بارز این نوع اهرم هستند. در تمام این موارد ما در راه پیروز می شویم، اما از نظر قدرت افت قابل توجهی داریم. به عنوان مثال، برای نگه داشتن بار سنگین با موچین، باید نیروی بزرگ F را اعمال کنید، بنابراین استفاده از این ابزار به معنای نگه داشتن اجسام سنگین با آن نیست.
در نتیجه، توجه می کنیم که همه انواع اهرم ها بر اساس یک اصل کار می کنند. آنها در کار جابجایی کالا سودی نمی‌بخشند، بلکه فقط به شما اجازه می‌دهند که این کار را در جهت اجرای راحت‌تر آن توزیع کنید.
