Máy hiện đại có thiết kế khá phức tạp. Tuy nhiên, nguyên tắc hoạt động của hệ thống của chúng dựa trên việc sử dụng các cơ chế đơn giản. Một trong số đó là đòn bẩy. Nó thể hiện điều gì theo quan điểm của vật lý học, và trong điều kiện nào thì đòn bẩy cân bằng? Chúng tôi sẽ trả lời những câu hỏi này và những câu hỏi khác trong bài viết.
Đòn bẩy trong vật lý
Mọi người có hiểu rõ về cơ chế của nó là gì nhé. Trong vật lý, đòn bẩy là một cấu trúc bao gồm hai phần - một dầm và một giá đỡ. Dầm có thể là một tấm ván, một thanh hoặc bất kỳ vật rắn nào khác có chiều dài nhất định. Giá đỡ, nằm bên dưới chùm tia, là điểm cân bằng của cơ cấu. Nó đảm bảo rằng cần gạt có trục quay, chia nó thành hai cánh tay và ngăn hệ thống di chuyển về phía trước trong không gian.
Nhân loại đã sử dụng đòn bẩy từ xa xưa, chủ yếu để thuận tiện cho công việc nâng vật nặng. Tuy nhiên, cơ chế này có ứng dụng rộng rãi hơn. Vì vậy, nó có thể được sử dụng để cung cấp cho tải một xung lực lớn. Một ví dụ điển hình của một ứng dụng như vậylà máy bắn đá thời trung cổ.
Lực tác động lên đòn bẩy
Để dễ dàng xem xét các lực tác động lên cánh tay đòn, hãy xem hình sau:
Chúng ta thấy rằng cơ chế này có các nhánh có độ dài khác nhau (dR<dF). Hai lực tác dụng vào mép vai hướng xuống dưới. Ngoại lực F có xu hướng nâng tải R và thực hiện công. Tải trọng R chống lại lực nâng này.
Trên thực tế, có một lực thứ ba tác động trong hệ thống này - phản lực hỗ trợ. Tuy nhiên, nó không ngăn cản hoặc góp phần vào chuyển động quay của đòn bẩy quanh trục, nó chỉ đảm bảo rằng toàn bộ hệ thống không di chuyển về phía trước.
Như vậy, sự cân bằng của đòn bẩy được xác định bởi tỷ số của chỉ hai lực: F và R.
Điều kiện cân bằng cơ chế
Trước khi viết ra công thức cân bằng cho một đòn bẩy, chúng ta hãy xem xét một đặc tính vật lý quan trọng của chuyển động quay - mômen của lực. Nó được hiểu là tích của vai d và lực F:
M=dF.
Công thức này đúng khi lực F tác dụng vuông góc với tay đòn. Giá trị d mô tả khoảng cách từ điểm tựa (trục quay) đến điểm tác dụng lực F.
Ghi nhớ về tĩnh, chúng ta lưu ý rằng hệ thống sẽ không quay quanh trục của nó nếu tổng tất cả các mômen của nó bằng không. Khi tìm tổng này, cũng cần tính đến dấu của mômen lực. Nếu lực được đề cập có xu hướng quay ngược chiều kim đồng hồ, thì thời điểm nó tạo ra sẽ là dương. Ngược lại, khi tính mômen của lực, hãy lấy nó với dấu âm.
Áp dụng điều kiện cân bằng quay ở trên cho đòn bẩy, chúng ta thu được đẳng thức sau:
dR R - dF F=0.
Biến đổi đẳng thức này, chúng ta có thể viết nó như thế này:
dR/ dF=F / R.
Biểu thức cuối cùng là công thức cân bằng đòn bẩy. Phép bình đẳng nói rằng: đòn bẩy dFso với dRcàng lớn thì lực F sẽ cần tác dụng càng ít để cân bằng tải R.
Công thức cân bằng của một đòn bẩy được đưa ra bằng cách sử dụng khái niệm mômen lực lần đầu tiên được Archimedes thu được bằng thực nghiệm vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên. e. Nhưng anh ấy đã có được nó độc quyền bằng kinh nghiệm, vì vào thời điểm đó khái niệm về lực chưa được đưa vào vật lý.
Điều kiện bằng văn bản của sự cân bằng của đòn bẩy cũng giúp chúng ta có thể hiểu tại sao cơ chế đơn giản này lại mang lại chiến thắng cả về cách thức hoặc sức mạnh. Thực tế là khi bạn xoay các cánh tay của đòn bẩy, một khoảng cách lớn hơn sẽ di chuyển một quãng đường dài hơn. Đồng thời, một lực nhỏ hơn tác dụng lên nó so với tác dụng trong thời gian ngắn. Trong trường hợp này, chúng ta có được sức mạnh. Nếu các thông số của vai được giữ nguyên, và tải và lực được đảo ngược, thì bạn sẽ có được lợi nhuận trên đường.
Vấn đề cân bằng
Chiều dài của xà tay là 2 mét. Ủng hộnằm ở khoảng cách 0,5 mét so với đầu bên trái của chùm tia. Biết rằng đòn bẩy đang ở trạng thái cân bằng và một lực 150 N tác dụng vào vai trái, cần đặt vào vai phải khối lượng bao nhiêu để lực này cân bằng.
Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi áp dụng quy tắc số dư đã được viết ở trên, chúng tôi có:
dR/ dF=F / R=>
1, 5/0, 5=150 / R=>
R=50 N.
Vì vậy, trọng lượng của tải phải bằng 50 N (không nên nhầm lẫn với khối lượng). Chúng tôi chuyển giá trị này thành khối lượng tương ứng bằng cách sử dụng công thức cho lực hấp dẫn, chúng tôi có:
m=R / g=50/9, 81=5,1kg.
Một vật chỉ nặng 5,1 kg sẽ cân bằng một lực 150 N (giá trị này tương ứng với trọng lượng của một vật nặng 15,3 kg). Điều này cho thấy sức mạnh tăng gấp ba lần.
