Từ xa xưa, nhân loại đã tìm mọi cách để tạo điều kiện thuận lợi cho lao động thể chất của mình. Các cơ chế đơn giản đã trở thành một phương tiện để giải quyết vấn đề này. Bài viết này thảo luận về các phát minh như đòn bẩy và khối, cũng như hệ thống đòn bẩy và khối.
Đòn bẩy là gì và nó được sử dụng khi nào?
Chắc từ nhỏ ai cũng đã quen với cơ chế đơn giản này rồi. Trong vật lý, đòn bẩy là sự kết hợp của một chùm (thanh, ván) và một giá đỡ. Đóng vai trò như một đòn bẩy để nâng tạ hoặc truyền tốc độ cho cơ thể. Tùy thuộc vào vị trí của giá đỡ dưới dầm, đòn bẩy có thể dẫn đến tăng lực hoặc chuyển động của tải. Cần phải nói rằng đòn bẩy không dẫn đến giảm công việc như một đại lượng vật lý, nó chỉ cho phép bạn phân phối lại việc thực hiện nó một cách thuận tiện.
Con người đã sử dụng đòn bẩy trong một thời gian dài. Vì vậy, có bằng chứng cho thấy nó đã được người Ai Cập cổ đại sử dụng trong việc xây dựng các kim tự tháp. Mô tả toán học đầu tiên về tác dụng của đòn bẩy có từ thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên và thuộc về Archimedes. Một giải thích hiện đại về nguyên tắc hoạt động của cơ chế này liên quan đếnkhái niệm về thời điểm của lực chỉ xuất hiện vào thế kỷ 17, trong quá trình hình thành cơ học cổ điển của Newton.
Quy tắc đòn bẩy
Cần gạt hoạt động như thế nào? Câu trả lời cho câu hỏi này nằm trong khái niệm mômen lực. Giá trị sau được gọi là một giá trị như vậy, nhận được là kết quả của việc nhân cánh tay đòn của lực với môđun của nó, đó là:
M=Fd
Cánh tay của lực d là khoảng cách từ điểm tựa đến điểm tác dụng lực F.
Khi một đòn bẩy thực hiện công việc của nó, có ba lực khác nhau tác động lên nó:
- ngoại lực do một người áp dụng;
- trọng lượng của tải mà một người tìm cách di chuyển bằng cần gạt;
- phản lực của giá đỡ tác động từ mặt bên của giá đỡ lên dầm đòn bẩy.
Phản lực của giá đỡ cân bằng hai lực còn lại, do đó đòn bẩy không di chuyển về phía trước trong không gian. Để nó không thực hiện chuyển động quay, thì tổng tất cả các mômen của các lực phải bằng không. Mômen của lực luôn được đo so với trục nào đó. Trong trường hợp này, trục này là điểm tựa. Với cách chọn trục này, vai tác dụng của phản lực của giá đỡ sẽ bằng không, tức là lực này tạo ra mômen bằng không. Hình dưới đây cho thấy một đòn bẩy điển hình của loại đầu tiên. Các mũi tên đánh dấu ngoại lực F và trọng lượng của tải trọng R.
Viết tổng các mômen của các lực này, ta có:
RdR+ (-FdF)=0
Bằng không của tổng các mô men đảm bảo không có chuyển động quay của các cánh tay đòn. Khoảng khăcLực F lấy dấu âm vì lực này có xu hướng làm quay cần theo chiều kim đồng hồ, trong khi lực R có xu hướng làm quay ngược chiều kim đồng hồ.
Viết lại biểu thức này dưới dạng sau, chúng ta thu được các điều kiện cân bằng cho đòn bẩy:
RdR=FdF;
dR/ dF=F / R
Chúng tôi đã thu được các công thức bằng văn bản bằng cách sử dụng khái niệm mômen lực. Vào thế kỷ III trước Công nguyên. e. Các nhà triết học Hy Lạp không biết về khái niệm vật lý này, tuy nhiên, Archimedes đã thiết lập mối quan hệ nghịch đảo giữa tỷ lệ lực tác dụng lên cánh tay đòn và chiều dài của những cánh tay này do kết quả của những quan sát thực nghiệm.
Sự cân bằng được ghi lại cho thấy sự giảm chiều dài của cánh tay dRgóp phần làm xuất hiện khả năng nâng vật nặng với sự trợ giúp của lực nhỏ F và a cánh tay dài dFR hàng.
Khối trong vật lý là gì?
Khối là một cơ chế đơn giản khác, là một hình trụ tròn có rãnh dọc theo chu vi của bề mặt hình trụ. Rãnh rãnh dùng để cố định dây hoặc xích. Khối có một trục quay. Hình bên cho thấy một ví dụ về một khối thể hiện cách thức hoạt động của nó.
Khối này được gọi là cố định. Nó không tăng sức mạnh, nhưng cho phép bạn thay đổi hướng của nó.
Bên cạnh khối cố định, có một khối chuyển động. Hệ thống khối cố định và có thể di chuyển được hiển thị bên dưới.
Nếu quy tắc khoảnh khắc được áp dụng cho hệ thống này, thì chúng tôi nhận đượcsức mạnh tăng lên gấp hai lần, nhưng đồng thời chúng ta cũng mất một lượng như nhau trên đường đi (trong hình F=60 N).
Hệ thống đòn bẩy và khối
Như đã đề cập trong các đoạn trước, đòn bẩy có thể được sử dụng để đạt được đường dẫn hoặc sức mạnh, trong khi khối cho phép bạn đạt được sức mạnh và thay đổi hướng hành động của nó. Các thuộc tính này của các cơ chế đơn giản được coi là được sử dụng trong các hệ thống đòn bẩy và khối. Trong các hệ thống này, mỗi phần tử nhận một số lực và truyền nó cho các phần tử khác để chúng ta lấy lực ban đầu làm đầu ra.
Sự dễ vận hành của đòn bẩy và khối cũng như tính linh hoạt trong việc sử dụng cấu trúc của chúng giúp bạn có thể tạo ra các cơ chế phức tạp từ sự kết hợp như vậy.
Ví dụ về việc sử dụng các hệ thống có cơ chế đơn giản
Trên thực tế, bất kỳ máy móc nào bao quanh chúng ta đều là hệ thống đòn bẩy và khối. Dưới đây là những ví dụ nổi tiếng nhất:
- máy đánh chữ;
- đàn;
- cẩu;
- giàn giáo gấp;
- giường và bàn có thể điều chỉnh được;
- bộ xương, khớp và cơ của con người.
Nếu lực đầu vào trong mỗi hệ thống này được biết, thì lực đầu ra có thể được tính bằng cách áp dụng liên tiếp quy tắc đòn bẩy cho từng phần tử của hệ thống.
