لطالما استخدمت الإنسانية آلات وآليات بسيطة لجعل العمل البدني أسهل وأبسط. إحدى هذه الآليات هي الرافعة. ما هي الرافعة في الفيزياء ، ما هي الصيغة التي تصف توازنها ، وما هي أنواع الرافعات - تم الكشف عن كل هذه الأسئلة في المقالة.
مفهوم
الرافعة في الفيزياء هي آلية تتكون من شعاع أو لوح ودعم واحد. يقسم الدعم بشكل عام الشعاع إلى جزأين غير متساويين ، يطلق عليهما ذراع الرافعة. يمكن لهذا الأخير أداء حركة دورانية حول نقطة ارتكاز.
لكونها آلية بسيطة ، تم تصميم الرافعة لأداء العمل البدني مع الكسب إما في السلطة أو أثناء النقل. تعمل القوات المطبقة على ذراعي الرافعة أثناء عملها. واحد منهم هو قوة المقاومة. يتم إنشاؤه بواسطة وزن الحمولة التي يجب نقلها (رفعها). القوة الثانية هي بعض القوة الخارجية ، والتي في معظم الحالات يتم تطبيقها على ذراع الرافعة بمساعدة الأيدي البشرية.
الصورة أعلاه تظهر رافعة نموذجيةكتفين. لاحقًا في المقالة سوف يتم توضيح سبب الإشارة إلى الرافعة المالية من النوع الثاني.
تبدو قاعدة الرافعة كما يلي:
القوةذراع القوة=تحميلذراع التحميل
لحظة القوة
لنقم ببعض الاستطرادات عن موضوع الرافعة في الفيزياء ونفكر في كمية مادية مهمة لفهم عملها. إنها لحظة القوة. وهي ناتج القوة وطول الذراع المستخدمة في تطبيقها والتي تتم كتابتها رياضياً كالتالي:
M=Fد
من المهم عدم الخلط بين ذراع القوة د وذراع الرافعة بشكل عام هذان مفهومان مختلفان.
تظهر لحظة القوة قدرة الأخير على إحداث تحول في النظام. لذلك ، يعرف الكثير من الناس أنه من الأسهل بكثير فتح الباب بالمقبض بدلاً من دفعه بالقرب من المفصلات ، أو أنه من الأسهل فك الجوز الموجود على البرغي باستخدام مفتاح ربط طويل بدلاً من مفتاح قصير.
لحظة القوة متجه. لفهم عمل آلية رافعة بسيطة في الفيزياء ، يكفي أن تعرف أن اللحظة تعتبر إيجابية إذا كانت القوة تميل إلى إدارة ذراع الرافعة عكس اتجاه عقارب الساعة. إذا كانت تميل إلى الدوران في اتجاه عقارب الساعة ، فيجب أن تؤخذ اللحظة بعلامة ناقص.
ميزان الرافعة في الفيزياء
لتسهيل فهم ما هي الظروف التي ستكون فيها الرافعة متوازنة ، ضع في اعتبارك الشكل التالي.
تظهر قوتان هنا: الحمل R والقوة الخارجية F المطبقة للتغلب على هذاالأحمال. أذرع هذه القوى تساوي dRو dF، على التوالي. في الواقع ، هناك قوة أخرى - رد فعل الدعم ، الذي يعمل عموديًا لأعلى عند نقطة التلامس بين الحزمة ودعم الرافعة. نظرًا لأن كتف هذه القوة تساوي صفرًا ، فلن يتم أخذها في الاعتبار عند تحديد حالة التوازن.
وفقًا للإحصاءات ، يكون دوران النظام مستحيلًا إذا كان مجموع لحظات القوى الخارجية يساوي صفرًا. دعونا نكتب مجموع هذه اللحظات ، مع مراعاة علامتها:
RdR- FdF=0.
تعكس المساواة المكتوبة حالة التوازن الكافية للرافعة. إذا لم تعمل قوتان على الرافعة ، ولكن أكثر ، فسيظل هذا الشرط قائمًا. فقط بدلاً من مجموع لحظتين من القوى ، سيكون من الضروري إيجاد مجموع كل لحظات القوى المؤثرة ومعادلتها بالصفر.
الفوز قوي وعلى الطريق
ستتم إعادة كتابة التعبير الخاص بلحظات قوى الرافعة في الفيزياء ، والذي كتب في الفقرة السابقة ، بالشكل التالي:
RdR=FdF
من الصيغة أعلاه يلي:
دR/ دF=F / R.
هذه المساواة تقول أنه من أجل الحفاظ على التوازن ، من الضروري أن تكون القوة F أكبر بعدة مرات من وزن الحمولة R ، كم مرة ذراعها dFأقل من الذراع دR. نظرًا لأن الذراع الأكبر في عملية تحريك الرافعة يسافر في مسار أطول من الذراع الأصغر ، فإننا نحصل على فرصة لأداء نفس العمل باستخدام الرافعة بطريقتين:
- تطبيق المزيد من القوة F وتحريك الكتف إلىمسافة قصيرة
- استخدم قوة صغيرة F وحرك الكتف لمسافة طويلة
في الحالة الأولى ، يتحدث المرء عن ربح في الطريق في عملية نقل الحمولة R ، في الحالة الثانية ، يحصل المرء على مكاسب في القوة ، منذ F < R.
أين يتم استخدام الرافعة المالية وما هي؟
اعتمادًا على نقطة تطبيق قوى الرافعة في الفيزياء وعلى موضع الدعم ، يمكن أن تكون أبسط آلية من ثلاثة أنواع:
- هذه رافعة ذات ذراعين ، حيث يتم إزالة موضع الدعم بالتساوي من طرفي الحزمة. اعتمادًا على نسبة أطوال الذراعين ، يتيح لك هذا النوع من الرافعات الفوز في كل من الطريق والقوة. تشمل أمثلة استخدامه الموازين ، كماشة ، والمقص ، وسحب الأظافر ، وأرجوحة طفل.
- الرافعة من النوع الثاني هي ذراع واحدة ، أي أن الدعم يقع بالقرب من أحد نهاياته. في هذه الحالة ، يتم تطبيق القوة الخارجية على الطرف الآخر من الحزمة ، وتعمل قوة الحمل بين الدعم والقوة الخارجية ، مما يسمح لك بالفوز بهذه القوة بالذات. تعتبر عربة اليد أو كسارة البندق من الأمثلة الرئيسية لهذا النوع من الرافعة المالية.
- النوع الثالث من الآلية يتم تمثيله بأمثلة مثل قضيب الصيد أو الملاقط. هذه الرافعة أيضًا بذراع واحد ، لكن القوة الخارجية المطبقة أقرب بالفعل إلى الدعم من نقطة تطبيق الحمل. يتيح لك هذا التصميم لآلية بسيطة الفوز على الطريق ، لكنك تفقد قوتك. هذا هو السبب في صعوبة حمل سمكة صغيرة على الوزن في نهاية صنارة الصيد أو جسم ثقيل بملاقط.
للتكرار ، رافعة في الفيزياء تسمح فقطاجعله مناسبًا لأداء هذا العمل أو ذاك الخاص بنقل البضائع ، لكنه لا يسمح لك بالفوز في هذا العمل.
