Thế giới xung quanh chúng ta luôn chuyển động không ngừng. Tuy nhiên, có những hệ thống có thể ở trạng thái nghỉ và cân bằng tương đối. Một trong số đó là đòn bẩy. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét nó là gì từ quan điểm của vật lý học và cũng giải quyết một số vấn đề về điều kiện cân bằng của đòn bẩy.
Đòn bẩy là gì?
Trong vật lý, đòn bẩy là một cơ chế đơn giản bao gồm một chùm (ván) không trọng lượng và một giá đỡ. Vị trí của giá đỡ không cố định, vì vậy nó có thể nằm gần một trong những đầu của dầm hơn.
Là một cơ chế đơn giản, đòn bẩy dùng để biến đổi lực thành đường dẫn và ngược lại. Mặc dù thực tế là lực và đường đi là những đại lượng vật lý hoàn toàn khác nhau nhưng chúng có liên quan với nhau theo công thức tính công. Để nâng bất kỳ tải nào, bạn cần thực hiện một số công việc. Điều này có thể được thực hiện theo hai cách khác nhau: tác dụng một lực lớn và di chuyển tải một đoạn ngắn, hoặc tác động với một lực nhỏ, nhưng đồng thời tăng quãng đường di chuyển. Trên thực tế, đây là đòn bẩy. Tóm lại, cơ chế này cho phép bạn thắng trên đường và thua về sức mạnh, hoặc ngược lại, thắng về sức mạnh nhưng lại thua trên đường.
Lực tác động lên đòn bẩy
Bài viết này dành cho các điều kiện cân bằng của đòn bẩy. Bất kỳ trạng thái cân bằng nào trong tĩnh (một nhánh của vật lý nghiên cứu các vật thể ở trạng thái nghỉ) đều giả định sự có mặt hay không có lực. Nếu chúng ta coi đòn bẩy ở dạng tự do (dầm không trọng lượng và giá đỡ), thì không có lực nào tác động lên nó và nó sẽ cân bằng.
Khi hoàn thành công việc bằng bất kỳ loại đòn bẩy nào, luôn có ba lực tác động lên nó. Hãy liệt kê chúng:
- Trọng lượng hàng hóa. Vì cơ chế được đề cập được sử dụng để nâng tải, hiển nhiên là trọng lượng của chúng sẽ phải được khắc phục.
- Phản lực bên ngoài. Đây là lực do người hoặc máy khác tác dụng để chống lại trọng lượng của tải trọng lên xà cánh tay.
- Phản ứng của sự hỗ trợ. Phương của lực này luôn vuông góc với mặt phẳng của dầm đòn bẩy. Phản lực của giá đỡ hướng lên trên.
Điều kiện cân bằng của đòn bẩy liên quan đến việc coi các lực tác động được đánh dấu không quá nhiều như mômen của các lực do chúng tạo ra.
Khoảnh khắc của lực là gì
Trong vật lý, mômen của lực, hay mômen, được gọi là một giá trị bằng tích của một lực bên ngoài bởi một vai. Vai của lực là khoảng cách từ điểm tác dụng lực đến trục quay. Sự hiện diện của cái sau là quan trọng trong việc tính toán mômen của lực. Không có sự hiện diện của một trục quay, không có ích gì khi nói về mômen của lực. Với định nghĩa trên, chúng ta có thể viết biểu thức sau cho mômen M:
M=Fd
Nói một cách công bằng, chúng ta lưu ý rằng mômen của lực thực chất là một đại lượng vectơ, tuy nhiên, để hiểu chủ đề của bài viết này, thì đủ để biết mô đun của mômen của lực được tính như thế nào.
Ngoài công thức trên, cần nhớ rằng nếu lực F có xu hướng làm quay hệ thống để nó bắt đầu chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, thì thời điểm tạo ra được coi là dương. Ngược lại, xu hướng quay của hệ thống theo hướng kim đồng hồ cho thấy một mô-men xoắn âm.
Công thức cho điều kiện cân bằng của đòn bẩy
Hình bên dưới cho thấy một đòn bẩy điển hình và giá trị của vai phải và trái của nó cũng được đánh dấu. Lực bên ngoài có nhãn là F và trọng lượng được nâng lên có nhãn là R.
Trong trạng thái tĩnh, để hệ thống nghỉ ngơi, cần đáp ứng hai điều kiện:
- Tổng các ngoại lực tác dụng lên hệ phải bằng 0.
- Tổng tất cả các mômen của các lực được đề cập đối với bất kỳ trục nào phải bằng 0.
Điều kiện đầu tiên trong số các điều kiện này có nghĩa là hệ thống không có chuyển động tịnh tiến. Đó là điều hiển nhiên đối với đòn bẩy, vì giá đỡ của nó nằm chắc chắn trên sàn hoặc mặt đất. Do đó, việc kiểm tra điều kiện cân bằng của đòn bẩy chỉ bao gồm việc kiểm tra tính hợp lệ của biểu thức sau:
∑i=1Mi=0
Vì trong trường hợp của chúng tôichỉ có ba lực tác động, hãy viết lại công thức này như sau:
RdR- FdF+ N0=0
Phản lực của mô men chống đỡ không tạo ra. Hãy viết lại biểu thức cuối cùng như sau:
RdR=FdF
Đây là điều kiện cân bằng của đòn bẩy (nó được học ở lớp 7 THCS môn Vật lý). Công thức cho thấy: nếu giá trị của lực F lớn hơn trọng lượng của tải R thì vai dFsẽ nhỏ hơn vai dR. Loại thứ hai có nghĩa là bằng cách tác dụng một lực lớn trong một khoảng cách ngắn, chúng ta có thể di chuyển tải trên một quãng đường dài. Tình huống ngược lại cũng đúng, khi F<R và theo đó, dF>dR. Trong trường hợp này, mức tăng được quan sát thấy có hiệu lực.
Vấn đề về Voi và Kiến
Nhiều người biết câu nói nổi tiếng của Archimedes về khả năng sử dụng đòn bẩy để di chuyển toàn bộ địa cầu. Tuyên bố táo bạo này có ý nghĩa vật lý, dựa trên công thức cân bằng đòn bẩy được viết ở trên. Hãy để Archimedes và Trái đất yên và giải quyết một vấn đề hơi khác, không kém phần thú vị.
Con voi và con kiến được đặt trên các cánh khác nhau của đòn bẩy. Giả sử khối tâm của con voi cách giá đỡ một mét. Kiến phải cách chỗ dựa bao xa để giữ thăng bằng cho voi?
Để trả lời câu hỏi của vấn đề, chúng ta hãy chuyển sang dữ liệu dạng bảng về khối lượng của các loài động vật được coi là. Hãy lấy khối lượng của một con kiến là 5 mg (510-6kg), khối lượng của một con voi sẽ được coi là bằng 5000 kg. Sử dụng công thức cân bằng đòn bẩy, chúng tôi nhận được:
50001=510-6 x=>
x=5000 / (510-6)=109m.
Một con kiến đúng là có thể giữ thăng bằng một con voi, nhưng để làm được điều này, nó phải nằm ở khoảng cách 1 triệu km từ giá đỡ đòn bẩy, tương ứng với 1/150 khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời!
Vấn đề với hỗ trợ ở cuối tia
Như đã nói ở trên, ở cần gạt, giá đỡ dưới dầm có thể được đặt ở bất cứ đâu. Giả sử rằng nó nằm gần một trong những đầu của chùm tia. Một đòn bẩy như vậy có một cánh tay duy nhất, được thể hiện trong hình bên dưới.
Giả sử rằng tải (mũi tên đỏ) có khối lượng 50 kg và nằm chính xác ở giữa cánh tay đòn. Phải tác dụng ngoại lực F (mũi tên xanh) vào đầu cánh tay bằng bao nhiêu để cân bằng khối lượng này?
Hãy chỉ định chiều dài của cánh tay đòn là d. Sau đó, chúng ta có thể viết điều kiện cân bằng dưới dạng sau:
Fd=Rd / 2=>
F=mg / 2=509, 81/2=245, 25 N
Như vậy, độ lớn của lực tác dụng phải bằng một nửa trọng lượng của tải trọng.
Loại đòn bẩy này được sử dụng trong các phát minh như xe cút kít hoặc máy bẻ hạt.
