الآلات الحديثة لها تصميم معقد إلى حد ما. ومع ذلك ، فإن مبدأ تشغيل أنظمتها يعتمد على استخدام آليات بسيطة. واحد منهم هو الرافعة. ما الذي تمثله من وجهة نظر الفيزياء وأيضًا تحت أي ظروف تكون الرافعة في حالة توازن؟ سنجيب على هذه الأسئلة وغيرها في المقال
رافعة في الفيزياء
لدى الجميع فكرة جيدة عن نوع الآلية. في الفيزياء ، الرافعة عبارة عن هيكل يتكون من جزأين - شعاع ودعامة. يمكن أن تكون الحزمة عبارة عن لوح أو قضيب أو أي جسم صلب آخر له طول معين. الدعم ، الموجود أسفل الحزمة ، هو نقطة توازن الآلية. يضمن أن يكون للرافعة محور دوران ، ويقسمها إلى ذراعين ويمنع النظام من التحرك للأمام في الفضاء.
الإنسانية تستخدم الرافعة منذ العصور القديمة ، بشكل أساسي لتسهيل عمل رفع الأحمال الثقيلة. ومع ذلك ، فإن هذه الآلية لها تطبيق أوسع. لذلك يمكن استخدامه لإعطاء الحمل دفعة كبيرة. مثال رئيسي على مثل هذا التطبيقمقلاع من القرون الوسطى.
القوى المؤثرة على الرافعة
لتسهيل التفكير في القوى التي تعمل على ذراعي الرافعة ، ضع في اعتبارك الشكل التالي:
نرى أن هذه الآلية لها أذرع بأطوال مختلفة (دR<dF). تعمل قوتان على حواف الكتفين ، والتي يتم توجيهها نحو الأسفل. تميل القوة الخارجية F إلى رفع الحمل R وأداء عمل مفيد. الحمولة R تقاوم هذا الرفع.
في الواقع ، هناك قوة ثالثة تعمل في هذا النظام - رد فعل الدعم. ومع ذلك ، فإنه لا يمنع أو يساهم في دوران الرافعة حول المحور ، فهو يضمن فقط أن النظام بأكمله لا يتحرك للأمام.
وهكذا ، يتم تحديد توازن الرافعة بنسبة قوتين فقط: F و R.
حالة توازن الآلية
قبل كتابة معادلة التوازن للرافعة ، دعونا نفكر في خاصية مادية مهمة للحركة الدورانية - لحظة القوة. يُفهم على أنه ناتج الكتف د والقوة F:
م=دواو
هذه الصيغة صالحة عندما تعمل القوة F بشكل عمودي على ذراع الرافعة. تصف القيمة d المسافة من نقطة الارتكاز (محور الدوران) إلى نقطة تطبيق القوة F.
عند تذكر الإحصائيات ، نلاحظ أن النظام لن يدور حول محاوره إذا كان مجموع كل لحظاته يساوي صفرًا. عند العثور على هذا المبلغ ، يجب أيضًا مراعاة علامة لحظة القوة.إذا كانت القوة المعنية تميل إلى إحداث انعطاف في عكس اتجاه عقارب الساعة ، فإن اللحظة التي تخلقها ستكون موجبة. خلاف ذلك ، عند حساب لحظة القوة ، خذها بعلامة سالبة.
بتطبيق الشرط أعلاه لتوازن الدوران للرافعة ، نحصل على المساواة التالية:
دR R - dF F=0.
تحويل هذه المساواة ، يمكننا كتابتها على النحو التالي:
دR/ دF=F / R.
التعبير الأخير هو صيغة توازن الرافعة. تقول المساواة أن: كلما زادت الرافعة المالية dFمقارنة بـ dR، كلما قلت القوة F التي يجب تطبيقها لموازنة الحمل R.
تم الحصول على صيغة توازن الرافعة باستخدام مفهوم لحظة القوة لأول مرة بشكل تجريبي من قبل أرخميدس في القرن الثالث قبل الميلاد. ه. لكنه حصل عليها حصريًا من خلال التجربة ، لأنه في ذلك الوقت لم يتم إدخال مفهوم لحظة القوة في الفيزياء.
الحالة المكتوبة لميزان الرافعة تجعل من الممكن أيضًا فهم سبب إعطاء هذه الآلية البسيطة فوزًا سواء في الطريق أو في القوة. الحقيقة هي أنه عندما تدير ذراع الرافعة ، فإن مسافة أكبر تقطع مسافة أطول. في الوقت نفسه ، تؤثر عليه قوة أصغر من قوة قصيرة. في هذه الحالة ، نحصل على مكاسب في القوة. إذا تركت معلمات الكتفين كما هي ، وتم عكس الحمل والقوة ، فستحصل على مكاسب في الطريق.
مشكلة التوازن
طول عارضة الذراع 2 متر. يدعمتقع على مسافة 0.5 متر من الطرف الأيسر للشعاع. من المعروف أن الرافعة في حالة توازن وتؤثر قوة مقدارها 150 نيوتن على كتفها الأيسر ما الكتلة التي يجب وضعها على الكتف الأيمن لموازنة هذه القوة.
لحل هذه المشكلة ، نطبق قاعدة التوازن التي كتبت أعلاه ، لدينا:
دR/ دF=F / R=>
1 ، 5/0 ، 5=150 / ص=>
R=50 N.
لذا يجب أن يكون وزن الحمولة مساويًا لـ 50 نيوتن (يجب عدم الخلط بينه وبين الكتلة). نترجم هذه القيمة إلى الكتلة المقابلة باستخدام صيغة الجاذبية ، لدينا:
م=R / g=50/9 ، 81=5.1 كجم.
جسم يزن 5.1 كجم فقط يوازن قوة قدرها 150 نيوتن (هذه القيمة تتوافق مع وزن جسم يزن 15.3 كجم). يشير هذا إلى زيادة في القوة بمقدار ثلاثة أضعاف.
