Еще до Нашей Эры люди начали применять рычаги в строительном деле. Например, на рисунке вы видите использование рычага при постройке пирамид в Египте. Рычагом называют твердое тело, которое может вращаться вокруг некоторой оси. Рычаг — это необязательно длинный и тонкий предмет. Например, колесо — тоже рычаг, так как это твердое тело, вращающееся вокруг оси.
Введем еще два определения. Линией действия силы назовем прямую, проходящую через вектор силы. Кратчайшее расстояние от оси рычага до линии действия силы назовем плечом силы. Из курса геометрии вы знаете, что кратчайшее расстояние от точки до прямой — это расстояние по перпендикуляру к этой прямой.
Проиллюстрируем эти определения примером. На рисунке слева рычагом является педаль. Ось ее вращения проходит через точку О. К педали приложены две силы: F1 — сила, с которой нога давит на педаль и F2 — сила упругости натянутого троса, прикрепленного к педали. Проведя через вектор F1 линию действия силы (изображена голубым цветом), и, опустив на нее перпендикуляр из т. О, мы получим отрезок ОА — плечо силы F1.
С силой F2 дело обстоит еще проще: линию ее действия можно не проводить, так как вектор этой силы расположен более удачно. Опустив из т. О перпендикуляр на линию действия силы F2, получим отрезок ОВ — плечо этой силы.
При помощи рычага можно маленькой силой уравновесить большую силу. Рассмотрим, например, подъем ведра из колодца. Рычагом является колодезный ворот — бревно с прикрепленной к нему изогнутой ручкой. Ось вращения ворота проходит сквозь бревно. Меньшей силой служит сила руки человека, а большей силой — сила, с которой ведро и свисающая часть цепи тянет вниз.
На чертеже слева показана схема ворота. Вы видите, что плечом большей силы является отрезок OB, а плечом меньшей силы — отрезок OA. Ясно видно, что OA > OB. Другими словами, плечо меньшей силы больше плеча большей силы. Такая закономерность справедлива не только для ворота, но и для любого другого рычага. В более общем виде она звучит так:
При равновесии рычага плечо меньшей силы во столько раз больше плеча большей силы, во сколько раз большая сила больше меньшей.
Проиллюстрируем это правило при помощи школьного рычага с грузиками. Взгляните на рисунок. У первого рычага плечо левой силы в 2 раза больше плеча правой силы, следовательно, и правая сила в два раза больше левой силы. У второго рычага плечо правой силы в 1.5 раза больше плеча левой силы, то есть во столько же раз, во сколько левая сила больше правой силы.
Итак, при равновесии на рычаге двух сил бо’льшая из них всегда имеет меньшее плечо и наоборот.
Рычаг – это твердое тело, имеющее ось вращения или опору.
Виды рычагов:
§ рычаг первого рода
§ рычаг второго рода.
Точки приложения сил, действующих на рычаг первого рода , лежат по обе стороны от точки опоры.
Схема рычага первого рода .
т. О – точка опоры рычага (ось вращения рычага);
т. 1 и т. 2 – точки приложения сил и соответственно.
Линия действия силы – прямая, совпадающая с вектором силы.
Плечо силы – кратчайшее расстояние от оси вращения рычага до линии действия силы.
Обозначение: d .
f 1 – линия действия силы 
f 2 – линия действия силы
d 1 – плечо силы
d 2 – плечо силы
Алгоритм нахождения плеча силы:
а) провести линию действия силы;
б) опустить перпендикуляр из точки опоры или оси вращения рычага на линию действия силы;
в) длина этого перпендикуляра и будет являться плечом данной силы.
 |
Задание:
Изобразить на чертеже плечо каждой силы:
т. О –ось вращения твердого тела.
Правило равновесия рычага (установлено Архимедом):
Если на рычаг действуют две силы, то он находится в равновесии только тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны их плечам.
Замечание : считаем, что сила трения и вес рычага равны нулю.
Момент силы.
Силы, действующие на рычаг, могут сообщить ему вращательное движение либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.
Момент силы – физическая величина, характеризующая вращающее действие силы и равная произведению модуля силы на плечо.
Обозначение: М
Единица измерения момента силы в СИ: 1 ньютон-метр (1 Н·м) .
1Н·м – момент силы в 1Н, плечо которой равно 1м.
Правило моментов : Рычаг находится в равновесии под действием приложенных к нему сил, если сумма моментов сил, вращающих его по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вращающих его против часовой стрелки .
Если на рычаг действуют две силы , то правило моментов формулируется следующим образом: Рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки.
Примечание : Из правила моментов для случая двух приложенных к рычагу сил можно получить правило равновесия рычага в форме, которая рассматривалась в п. 38.
, ═> , ═> .
Блоки.
Блок – колесо с желобом, имеющее ось вращения. Желоб предназначен для нити, веревки, троса или цепи.
Различают блоки двух видов: неподвижные и подвижные.
Неподвижным блоком называется такой блок, ось которого не перемещается при работе блока. Такой блок при движении веревки не передвигается, а лишь вращается.
Подвижным блоком называется такой блок, ось которого движется при работе блока.
Поскольку блок – твердое тело, имеющее ось вращения, т. е. разновидность рычага, то к блоку мы можем применить правило равновесия рычага. Применим это правило, считая, что сила трения и вес блока равны нулю.
Рассмотрим неподвижный блок.
Неподвижный блок – рычаг первого рода.
т. О – ось вращения рычага.
АО = d 1 – плечо силы
ОВ = d 2 – плечо силы
Причем, d 1 = d 2 = r, r – радиус колеса.
При равновесии M 1 = M 2
P·d 1 = F·d 2 ═>
Таким образом, неподвижный блок выигрыша в силе не дает, он только позволяет изменять направление действия силы.
Рассмотрим подвижный блок.
Подвижный блок – рычаг второго рода.
С самых давних пор человек применяет различные вспомогательные приспособления для облегчения своего труда. Как часто, когда нам надо сдвинуть с места очень тяжелый предмет, мы берем себе в помощники палку или шест. Это пример простого механизма - рычага.
Применение простых механизмов
Видов простых механизмов очень много. Это и рычаг, и блок, и клин, и многие другие. Простыми механизмами в физике называют приспособления, служащие для преобразования силы. Наклонная плоскость, которая помогает вкатывать или втаскивать тяжелые предметы наверх - это тоже простой механизм. Применение простых механизмов очень распространено как в производстве, так и в быту. Чаще всего простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить в несколько раз силу, действующую на тело.
Рычаг в физике - простой механизм
Один из самых простых и распространенных механизмов, который изучают в физике еще в седьмом классе - рычаг. Рычагом в физике называют твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры.
Различают два вида рычагов. У рычага первого рода точка опоры находится между линиями действия приложенных сил. У рычага второго рода точка опоры расположена по одну сторону от них. То есть, если мы пытаемся при помощи лома сдвинуть с места тяжелый предмет, то рычаг первого рода - это ситуация, когда мы подкладываем брусок под лом, надавливая на свободный конец лома вниз. Неподвижной опорой у нас в данном случае будет являться брусок, а приложенные силы располагаются по обе стороны от него. А рычаг второго рода - это когда мы, подсунув край лома под тяжесть, тянем лом вверх, пытаясь таким образом перевернуть предмет. Здесь точка опоры находится в месте упора лома о землю, а приложенные силы расположены по одну сторону от точки опоры.
Закон равновесия сил на рычаге
Используя рычаг, мы можем получить выигрыш в силе и поднять неподъемный голыми руками груз. Расстояние от точки опоры до точки приложения силы называют плечом силы. Причем, можно рассчитать равновесие сил на рычаге по следующей формуле:
F1 / F2 = l2 / l1 ,
где F1 и F2 - силы, действующие на рычаг,
а l2 и l1 - плечи этих сил.
Это и есть закон равновесия рычага , который гласит: рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам этих сил. Этот закон был установлен Архимедом еще в третьем веке до нашей эры. Из него следует, что меньшей силой можно уравновесить большую. Для этого необходимо, чтобы плечо меньшей силы было больше плеча большей силы. А выигрыш в силе, получаемый с помощью рычага, определяется отношением плеч приложенных сил.
Рычагом называют твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной точки. Неподвижную точку называют точкой опоры . Расстояние от точки опоры до линии действия силы называют плечом этой силы.
Условие равновесия рычага : рычаг находится в равновесии, если приложенные к рычагу силы F 1 и F 2 стремятся вращать его в противоположных направлениях, причем модули сил обратно пропорциональны плечам этих сил: F 1 /F 2 = l 2 /l 1 Это правило было установлено Архимедом. По легенде он воскликнул: Дайте мне точку опоры и я подниму Землю .
Для рычага выполняется «золотое правило» механики (если можно пренебречь трением и массой рычага).
Прикладывая к длинному рычагу некоторую силу, можно другим концом рычага поднимать груз, вес которого намного превышает эту силу. Это означает, что, используя рычаг, можно получить выигрыш в силе. При использовании рычага выигрыш в силе обязательно сопровождается таким же проигрышем в пути.
Все типы рычагов:
Момент силы. Правило моментов
Произведение модуля силы на ее плечо называют моментом силы . M = Fl , где М - момент силы, F - сила, l - плечо силы.
Правило моментов : рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил, стремящихся вращать рычаг в одном направлении, равна сумме моментов сил, стремящихся вращать его в противоположном направлении. Это правило справедливо для любого твердого тела, способного вращаться вокруг закрепленной оси.
Момент силы характеризует вращающее действие силы . Это действие зависит как от силы, так и от ее плеча. Именно поэтому, например, желая открыть дверь, стараются приложить силу как можно дальше от оси вращения. С помощью небольшой силы при этом создают значительный момент, и дверь открывается. Открыть ее, оказывая давление около петель, значительно труднее. По той же причине гайку легче отворачивать более длинным гаечным ключом, шуруп легче вывернуть с помощью отвертки с более широкой ручкой и т. д.
Единицей момента силы в СИ является ньютон-метр (1 Н*м). Это момент силы 1 Н, имеющей плечо 1 м.
§ 35. МОМЕНТ СИЛЫ. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ РЫЧАГА
Рычаг - самый простой и не самый древний механизм, который использует человек. Ножницы, кусачки, лопата, дверь, весло, руль и ручка переключения передач в автомобиле - все они действуют по принципу рычага. Уже во время строительства египетских пирамид рычагами поднимали камни весом по десять тонн.
Рычаг. Правило рычага
Рычагом называют стержень, который может вращаться вокруг некоторой неподвижной оси. Ось О, перпендикулярная к плоскости рисунка 35.2. На правое плечо рычага длиной l 2 действует сила F 2 , а на левое плечо рычага длиной l 1 действует сила F 1 Длину плеч рычага l 1 и l 2 измеряют от оси вращения О до соответствующих линий действия силы F 1 и F 2 .
Пусть силы F 1 и F 2 такие, что рычаг не вращается. Опыты показывают, что в таком случае выполняется условие:
F 1 ∙ l 1 = F 2 ∙ l 2 . (35.1)
Перепишем это равенство по-другому:
F 1 /F 2 =l 2 /l 1 . (35.2)
Смысл выражения (35.2) такой: во сколько раз плечо l 2 дольше за плечо l 1 , во столько же раз величина силы F 1 больше величины силы F 2 Это утверждение называют правилом рычага, а отношение F 1 /F 2 - выигрышем в силе.
Получая выигрыш в силе, мы проигрываем в расстоянии, поскольку надо сильно опустить правое плечо, чтобы немного поднять левый конец плеча рычага.
Зато весла лодки закреплены в уключинах так, что мы тянем за короткое плечо рычага, прикладывая значительную силу, но зато получаем выигрыш в скорости на конце длинного плеча (рис. 35.3).
Если силы F 1 и F 2 равны по величине и направлению, то рычаг будет в равновесии при условии, что l 1 = l 2 , то есть ось вращения находится посередине. Конечно, никакого выигрыша в силе в этом случае мы не получим. Руль автомобиля устроено еще интереснее (рис. 35. 4).
Рис. 35.1. Инструмент
Рис. 35.2. Рычаг
Рис. 35.3. Весла дают выигрыш в скорости
Рис. 35.4. Сколько рычагов вы видите на этой фотографии?
Момент силы. Условие равновесия рычага
Плечом силы l называют кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы. В случае (рис. 35.5), когда линия действия силы F образует острый угол с гаечным ключом, плечо силы l меньше за плечо l 2 в случае (рис. 35.6), где сила действует перпендикулярно к ключу.
Рис. 35.5. Плечо l меньше
Произведение силы F на длину плеча l называют моментом силы и обозначают буквой М:
M = F ∙ l. (35.3)
Момент силы измеряется в Н-м. В случае (рис.35.6) гайку вращать легче, потому что момент силы, с которой мы действуем на ключ, больше.
Из соотношения (35.1) следует, что в случае, когда на рычаг действуют две силы (рис.35.2), условие отсутствия вращения рычага заключается в том, щомомент силы, которая пытается его вращать по часовой стрелке (F 2 ∙ l 2), должен равняться моменту силы, которая пытается вращать рычаг против часовой стрелки (F 1 ∙ l 1).
Если на рычаг действуют больше, чем две силы, правило равновесия рычага звучит так: рычаг не вращается вокруг неподвижной оси, если сумма моментов всех сил, вращающие тело по часовой стрелке, равна сумме моментов всех сил, вращающие его против часовой стрелки.
Если моменты сил уравновешены, рычаг вращается в ту сторону, куда его вращает больший по сумме момент.
Пример 35.1
К левому плечу рычага длиной 15 см подвесили груз массой 200 г. На каком расстоянии от оси вращения надо подвесить груз 150 г, чтобы рычаг находился в равновесии?
Рис. 35.6. Плечо l больше
Решение: Момент первого бремени (рис. 35.7) равна: M 1 = m 1 g ∙ l 1 .
Момент второго груза: М 2 = m 2 g ∙ l 2 .
Согласно правила равновесия рычага:
М 1 = М 2 , или m 1 ∙ l 1 = m 2 g ∙ l 2 .
Отсюда: l 2 = .
Вычисления: l 2 = = 20 см.
Ответ: длина правого плеча рычага в положении равновесия составляет 20 см.
Оборудование: легкий и достаточно прочный провод длиной примерно 15 см, скрепки, линейка, нить.
Ход работы. Наденьте на проволоку ниткову петлю. Примерно посередине проволоки туго затяните петлю. Затем проволоку подвесьте на нитке (прикрепив нить, скажем, настольной лампы). Установите равновесие проволоки, передвигая петлю.
Нагрузите рычаг с двух сторон от центра цепочками из разного количества скрепок и добейтесь равновесия (рис. 35.8). Измерьте длины плеч l 1 и l 2 с точностью до 0,1 см. Силу будем измерять в “скрепках”. Запишите результаты в таблицу.
Рис. 35.8. Исследование равновесия рычага
Сравните величины А и В. Сделайте вывод.
Интересно знать.
*Проблемы точного взвешивания.
Рычаг используют в весах, и от того, насколько точно совпадает длина плеч зависит точность взвешивания.
Современные аналитические весы могут взвешивать с точностью до одной десятимиллионной части грамма, то есть в 0,1 мкг (рис. 35.9). Причем есть две разновидности таких весов: одни для взвешивания легких грузов, другие - тяжелых. Первый вид вы можете увидеть в аптеке, ювелирной мастерской или химической лаборатории.
На весах для взвешивания крупных грузов можно взвешивать грузы весом до тонны, но они остаются при этом очень чувствительными. Если ступить на такую тяжесть, а затем выдохнуть воздух из легких, то она среагирует.
Ультрамикровесы измеряют массу с точностью до 5 ∙ 10 -11 г (пять стомільярдних долей грамма!)
При взвешивании на точных весах возникает много проблем:
а) Как не старайся, плечи коромысла все равно не равны.
б) Чаши весов хотя и мало, но различаются по массе.
в) Начиная с определенного порога точности, вес начинает реагировать на виштовхувальну силу воздуха, которая для тел обычных размеров очень мала.
г) При размещении весов в вакууме от этого недостатка можно избавиться, но при взвешивании очень маленьких масс начинают ощущаться удары молекул воздуха, которое полностью откачать невозможно никаким насосом.
Рис. 35.9. Современные аналитические весы
Два способа повысить точность нерівноплечних весов.
1. Метод тарирования. Зрівноважимо груз с помощью сыпучего вещества, например песка. Затем снимем груз и разновесками зрівноважимо песок. Очевидно, что масса гирь равна истинной массе груза.
2. Метод поочередного взвешивания. Взвешиваем груз на чаше весов, которая находится, например, на плече длиной l 1 . Пусть масса грузиков, которая приводит к уравновешивании весов, равен m 2 . Потом взвесим этот же груз в другой чаше, что находится на плече длиной l 2 . Получим несколько другую массу грузиков m 1 . Но в обоих случаях настоящая масса груза равна m. В обоих взвешиваниях выполнялось условие: m ∙ l 1 =m 2 ∙ l 2 и m ∙ l 2 = m 1 ∙ l 1 . Решая систему этих уравнений, получим: m = 
.
Тема для исследования
35.1. Сконструируйте весы, на которых можно взвесить песчинку и опишите проблемы, с которыми вы столкнулись при выполнении этого задания.
Подведем итоги
Плечом силы l называют кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.
Моментом силы называют произведение силы на плечо: М = F ∙ l.
Рычаг не вращается, если сумма моментов сил, которые вращают тело по часовой стрелке, равна сумме моментов всех сил, вращающие его против часовой стрелки.
Упражнение 35
1. В каком случае рычаг дает выигрыш в силе?
2. В каком случае легче закрутить гайку: рис. 35.5 или 35.6?
3. Почему дверная ручка максимально удаленная от оси вращения?
4. Почему согнутой в локте рукой можно поднять больший груз, чем вытянутой?
5. Длинный стержень легче удерживать в горизонтальном положении, держа его за середину, чем за конец. Почему?
6. Прикладывая силу 5 Н к плечу рычага длиной 80 см, мы хотим уравновесить силу 20 Н. Какой должна быть длина второго плеча?
7. Предположим, что силы (рис. 35.4) одинаковы по величине. Почему они не уравновешиваются?
8. Предмет можно уравновесить на весах так, чтобы со временем равновесие нарушилось само собой, без внешних воздействий?
9. Есть 9 монет, одна из них - фальшивая. Она тяжелее других. Предложите процедуру с помощью которой фальшивую монету можно однозначно обнаружить за минимальное количество взвешиваний. Гиря для взвешивания отсутствуют.
10. Почему груз, масса которого меньше порога чувствительности весов, не нарушает их равновесия?
11. Зачем точное взвешивание проводят в вакууме?
12. В каком случае точность взвешивания на рычажных весах не будет зависеть от действия силы Архимеда?
13. Как определяют длину плеча рычага?
14. Как вычисляют момент силы?
15. Сформулируйте правила равновесия рычага.
16. Что называют выигрышем в силе в случае рычага?
17. Почему гребец берется за короткое плечо рычага?
18. Сколько рычагов можно увидеть на рис. 35.4?
19. Которые весы называют аналитическими?
20. Объясните смысл формулы (35.2).
3 истории науки. До наших времен дошла история о том, как царь Сиракуз Гієрон приказал построить большой трипалубний корабль - триеру (рис.35.10). Но когда корабль был готов, оказалось, что его не удается сдвинуть с места даже усилиями всех жителей острова. Архимед придумал механизм, состоящий из рычагов и позволил спустить корабль на воду одному человеку. Об этом событии рассказал римский историк Витрувий.
