بشریت از دیرباز از ماشین‌ها و مکانیسم‌های ساده برای آسان‌تر و ساده‌تر کردن کار فیزیکی استفاده کرده است. یکی از این مکانیسم ها اهرم است. اهرم در فیزیک چیست، چه فرمولی تعادل آن را توصیف می کند، و چه نوع اهرم هایی هستند - همه این سؤالات در مقاله نشان داده شده است.
مفهوم
اهرم در فیزیک مکانیزمی است متشکل از یک تیر یا تخته و یک تکیه گاه. تکیه گاه به طور کلی تیر را به دو قسمت نابرابر تقسیم می کند که به آنها بازوهای اهرمی می گویند. دومی می تواند یک حرکت چرخشی در اطراف نقطه تکیه انجام دهد.
از آنجایی که یک مکانیسم ساده است، اهرم برای انجام کار فیزیکی با افزایش قدرت یا در حمل و نقل طراحی شده است. نیروهای اعمال شده بر روی بازوهای اهرم در حین کار آن عمل می کنند. یکی از آنها قدرت مقاومت است. با وزن باری که باید جابجا شود (بلند شود) ایجاد می شود. نیروی دوم مقداری نیروی خارجی است که در بیشتر موارد با کمک دست انسان به بازوی اهرمی وارد می شود.
تصویر بالا یک اهرم معمولی را نشان می دهددو شانه بعداً در مقاله توضیح داده خواهد شد که چرا به اهرم نوع دوم اشاره دارد.
قانون اهرم به این صورت است:
ForceForce Arm=LoadLoad Arm
لحظه نیرو
بیایید کمی از موضوع اهرم در فیزیک انحراف داشته باشیم و یک کمیت فیزیکی مهم برای درک عملکرد آن در نظر بگیریم. این در مورد لحظه نیرو است. حاصل ضرب نیرو و طول بازوی اعمال آن است که به صورت ریاضی به صورت زیر نوشته می شود:
M=Fd
مهم است که اشتباه نگیریم، بازوی نیروی d و بازوی اهرم، به طور کلی، اینها مفاهیم متفاوتی هستند.
لحظه نیرو نشان دهنده توانایی دومی در چرخش در سیستم است. بنابراین، بسیاری از مردم می‌دانند که باز کردن درب توسط دستگیره بسیار راحت‌تر از فشار دادن آن به لولاها است، یا باز کردن پیچ مهره روی پیچ با آچار بلند آسان‌تر از آچار کوتاه است.
لحظه نیرو یک بردار است. برای درک عملکرد یک مکانیسم اهرمی ساده در فیزیک، کافی است بدانید که اگر نیرو تمایل داشته باشد بازوی اهرمی را در خلاف جهت عقربه های ساعت بچرخاند، لحظه مثبت در نظر گرفته می شود. اگر تمایل به چرخش در جهت جهت عقربه های ساعت دارد، باید لحظه را با علامت منفی گرفت.
تعادل اهرمی در فیزیک
برای اینکه درک کنید که در چه شرایطی اهرم در تعادل خواهد بود، شکل زیر را در نظر بگیرید.
دو نیرو در اینجا نشان داده شده است: یک بار R و یک نیروی خارجی F اعمال شده برای غلبه بر اینبارها بازوهای این نیروها به ترتیب برابر با dR و dF است. در واقع، نیروی دیگری وجود دارد - واکنش تکیه گاه، که به صورت عمودی به سمت بالا در نقطه تماس بین تیر و تکیه گاه اهرم عمل می کند. از آنجایی که شانه این نیرو برابر با صفر است، هنگام تعیین وضعیت تعادل بیشتر در نظر گرفته نمی شود.
طبق استاتیک، اگر مجموع گشتاورهای نیروهای خارجی برابر با صفر باشد، چرخش سیستم غیرممکن است. بیایید مجموع این لحظات را با در نظر گرفتن علامت آنها بنویسیم:
RdR- FdF=0.
برابری نوشته شده منعکس کننده شرایط تعادل کافی برای اهرم است. اگر نه دو نیرو، بلکه بیشتر بر روی اهرم وارد شوند، این شرایط همچنان باقی خواهد ماند. فقط به جای مجموع دو لحظه نیرو، باید مجموع تمام گشتاورهای نیروهای عامل را پیدا کرد و آنها را با صفر برابر کرد.
برد قوی و در راه است
عبارت لحظه های نیروهای اهرمی در فیزیک که در پاراگراف قبل نوشته شده بود به شکل زیر بازنویسی می شود:
RdR=FdF
از فرمول بالا به شرح زیر است:
dR / dF=F / R.
این برابری می گوید که برای حفظ تعادل، لازم است که نیروی F چند برابر وزن بار R باشد، چند برابر بازوی آن dF کمتر از بازو d R. از آنجایی که بازوی بزرگتر در فرآیند حرکت اهرم مسیر طولانی تری را نسبت به بازوی کوچکتر طی می کند، ما این فرصت را داریم که همان کار را با استفاده از اهرم به دو روش انجام دهیم:
- نیروی F بیشتری اعمال کنید و شانه را به سمت آن حرکت دهیدفاصله کوتاه؛
- یک نیروی کوچک F را اعمال کنید و شانه را در فاصله طولانی حرکت دهید.
در حالت اول، از یک بهره در راه در فرآیند جابجایی بار R صحبت می شود، در مورد دوم، افزایش قدرت بدست می آید، زیرا F < R.
اهرم کجا استفاده می شود و چیست؟
بسته به نقطه اعمال نیروهای اهرمی در فیزیک و موقعیت تکیه گاه، ساده ترین مکانیسم می تواند سه نوع باشد:
- این یک اهرم دو بازویی است که در آن موقعیت تکیه گاه به طور مساوی از دو سر تیر جدا می شود. بسته به نسبت طول بازوها، این نوع اهرم به شما امکان می دهد هم در راه و هم در قدرت پیروز شوید. نمونه هایی از کاربرد آن عبارتند از ترازو، انبردست، قیچی، ناخن کش، تاب کودک.
- اهرم نوع دوم تک بازویی است، یعنی تکیه گاه نزدیک یکی از انتهای آن قرار دارد. در این حالت نیروی خارجی به انتهای دیگر تیر وارد می شود و نیروی بار بین تکیه گاه و نیروی خارجی عمل می کند که به شما امکان می دهد در همین نیرو پیروز شوید. چرخ دستی یا فندق شکن نمونه های بارز این نوع اهرم هستند.
- نوع سوم مکانیسم با نمونه هایی مانند میله ماهیگیری یا موچین نشان داده می شود. این اهرم نیز تک بازویی است، اما نیروی اعمالی خارجی در حال حاضر به تکیه گاه نزدیک تر از نقطه اعمال بار است. این طراحی از یک مکانیسم ساده به شما امکان می دهد در جاده پیروز شوید، اما در قدرت ببازید. به همین دلیل است که نگه داشتن یک ماهی کوچک روی وزن انتهای چوب ماهیگیری یا یک جسم سنگین با موچین دشوار است.
برای تکرار، یک اهرم در فیزیک فقط اجازه می دهدانجام این یا آن کار جابجایی کالا را راحت می کند، اما به شما اجازه نمی دهد در این کار برنده شوید.
