العالم الذي يحيط بنا في حركة مستمرة. ومع ذلك ، هناك أنظمة يمكن أن تكون في حالة نسبية من الراحة والتوازن. واحد منهم هو الرافعة. في هذه المقالة ، سننظر في ما هو عليه من وجهة نظر الفيزياء ، ونحل أيضًا مشكلتين في حالة توازن الرافعة.
ما هي الرافعة؟
في الفيزياء ، الرافعة هي آلية بسيطة تتكون من شعاع عديم الوزن (لوح) ودعم واحد. موقع الدعم غير ثابت لذا يمكن وضعه بالقرب من أحد طرفي الشعاع.
كونها آلية بسيطة ، تعمل الرافعة على تحويل القوة إلى مسار ، والعكس صحيح. على الرغم من حقيقة أن القوة والمسار عبارة عن كميات فيزيائية مختلفة تمامًا ، إلا أنهما يرتبطان ببعضهما البعض من خلال صيغة العمل. لرفع أي حمل ، تحتاج إلى القيام ببعض الأعمال. يمكن القيام بذلك بطريقتين مختلفتين: تطبيق قوة كبيرة وتحريك الحمل مسافة قصيرة ، أو التصرف بقوة صغيرة ، ولكن في نفس الوقت زيادة مسافة الحركة.في الواقع ، هذا هو الغرض من النفوذ. باختصار ، هذه الآلية تسمح لك بالفوز على الطريق وخسارة القوة ، أو بالعكس الفوز بقوة ، لكنك تخسر على الطريق.
القوى المؤثرة على الرافعة
هذا المقال مخصص لشروط توازن الرافعة. أي توازن في الإحصائيات (فرع من فروع الفيزياء يدرس الأجسام في حالة الراحة) يفترض مسبقًا وجود أو عدم وجود قوى. إذا نظرنا إلى الرافعة في شكل حر (شعاع ودعم عديم الوزن) ، فلن تعمل عليها أي قوى ، وستكون في حالة توازن.
عندما يتم العمل برافعة من أي نوع ، هناك دائمًا ثلاث قوى تعمل عليه. دعونا نذكرهم:
- وزن الحمولة. نظرًا لاستخدام الآلية المعنية لرفع الأحمال ، فمن الواضح أنه يجب التغلب على وزنها.
- قوة رد فعل خارجية. هذه هي القوة التي يمارسها شخص أو آلة أخرى لمواجهة وزن الحمل على عارضة الذراع.
- رد فعل الدعم. يكون اتجاه هذه القوة دائمًا عموديًا على مستوى شعاع الرافعة. قوة رد فعل الدعم موجهة لأعلى.
تتضمن حالة التوازن للرافعة عدم مراعاة قوى التمثيل الملحوظة بقدر ما هي لحظات القوى التي أنشأتها.
ما هي لحظة القوة
في الفيزياء ، تسمى لحظة القوة أو عزم الدوران بقيمة تساوي ناتج قوة خارجية بواسطة الكتف. كتف القوة هي المسافة من نقطة تطبيق القوة إلى محور الدوران. وجود الأخير مهم في حساب لحظة القوة. بدون وجود محور دوران ، لا فائدة من الحديث عن لحظة القوة.بالنظر إلى التعريف أعلاه ، يمكننا كتابة التعبير التالي لعزم الدوران M:
M=Fد
في الإنصاف ، نلاحظ أن لحظة القوة هي في الواقع كمية متجهة ، ومع ذلك ، لفهم موضوع هذه المقالة ، يكفي معرفة كيفية حساب معامل لحظة القوة.
إلى جانب الصيغة أعلاه ، يجب أن نتذكر أنه إذا كانت القوة F تميل إلى تدوير النظام بحيث يبدأ في التحرك عكس اتجاه عقارب الساعة ، فإن اللحظة التي تم إنشاؤها تعتبر إيجابية. على العكس من ذلك ، فإن الميل إلى تدوير النظام في اتجاه الساعة يشير إلى عزم دوران سلبي.
صيغة لشرط التوازن للرافعة
يوضح الشكل أدناه رافعة نموذجية ، كما تم تحديد قيم الكتفين الأيمن والأيسر. تم وضع علامة على القوة الخارجية F والوزن المراد رفعه مكتوب R.
في الإحصائيات ، لكي يرتاح النظام ، يجب استيفاء شرطين:
- يجب أن يكون مجموع القوى الخارجية التي تؤثر على النظام مساويًا للصفر.
- يجب أن يكون مجموع كل لحظات القوى المذكورة حول أي محور صفراً.
أول هذه الشروط يعني عدم وجود حركة انتقالية للنظام. من الواضح للرافعة ، لأن دعمها ثابت على الأرض أو الأرض. لذلك ، فإن التحقق من حالة التوازن للرافعة ينطوي فقط على التحقق من صحة التعبير التالي:
∑i=1Mi=0
لأنه في حالتناتعمل ثلاث قوى فقط ، أعد كتابة هذه الصيغة على النحو التالي:
RdR- FdF+ N0=0
قوة رد الفعل لحظة الدعم لا تخلق. دعونا نعيد كتابة التعبير الأخير على النحو التالي:
RdR=FdF
هذه هي حالة توازن الرافعة (يتم دراستها في الصف السابع من المدارس الثانوية في مسار الفيزياء). توضح الصيغة: إذا كانت قيمة القوة F أكبر من وزن الحمولة R ، فيجب أن يكون الكتف dFأقل من الكتف dR. هذا الأخير يعني أنه من خلال تطبيق قوة كبيرة على مسافة قصيرة ، يمكننا تحريك الحمل لمسافة طويلة. الوضع العكسي صحيح أيضًا ، عندما F<R ، وبالتالي ، dF>dR. في هذه الحالة يتم ملاحظة الكسب بالقوة.
مشكلة الفيل والنمل
يعرف الكثير من الناس مقولة أرخميدس الشهيرة حول إمكانية استخدام رافعة لتحريك الكرة الأرضية بأكملها. هذه العبارة الجريئة منطقية فيزيائية ، بالنظر إلى صيغة توازن الرافعة المكتوبة أعلاه. دعنا نترك أرخميدس والأرض وشأنهما ونحل مشكلة مختلفة قليلاً ، والتي لا تقل إثارة للاهتمام.
تم وضع الفيل والنملة على أذرع مختلفة من الرافعة. افترض أن مركز كتلة الفيل يبعد مترًا واحدًا عن الدعم. كم يبعد عن الدعم الذي يجب أن تكون عليه النملة لتوازن الفيل؟
للإجابة على سؤال المشكلة ، دعنا ننتقل إلى البيانات المجدولة عن كتل الحيوانات المدروسة. لنأخذ كتلة النملة على أنها 5 مجم (510-6كجم) ، فإن كتلة الفيل تعتبر تساوي 5000 كجم.باستخدام صيغة ميزان الرافعة نحصل على:
50001=510-6 x=>
x=5000 / (510-6)=109م.
تستطيع النملة بالفعل موازنة الفيل ، ولكن للقيام بذلك ، يجب أن تكون على مسافة مليون كيلومتر من دعامة الرافعة ، والتي تقابل 1/150 من المسافة من الأرض إلى الشمس!
مشكلة في الدعم في نهاية الحزمة
كما هو مذكور أعلاه ، عند الرافعة ، يمكن وضع الدعم الموجود أسفل العارضة في أي مكان. افترض أنه يقع بالقرب من أحد طرفي الحزمة. هذه الرافعة لها ذراع واحد ، كما هو موضح في الشكل أدناه.
افترض أن الحمولة (السهم الأحمر) كتلتها 50 كجم وتقع بالضبط في منتصف ذراع الرافعة. ما مقدار القوة الخارجية F (السهم الأزرق) التي يجب تطبيقها على نهاية الذراع لموازنة هذا الوزن؟
دعونا نحدد طول ذراع الرافعة د. ثم نكتب حالة التوازن بالصيغة التالية:
Fد=صد / 2=>
F=مز / 2=509 ، 81/2=245 ، 25 N
هكذا يجب أن يكون مقدار القوة المطبقة نصف وزن الحمولة
يستخدم هذا النوع من الرافعات في اختراعات مثل عربة اليد أو كسارة البندق.
