Fysiikassa tasapaino on järjestelmän tila, jossa se on suhteessa ympäröiviin esineisiin nähden. Statiikka on tasapainoolosuhteiden tutkimusta. Yksi mekanismeista, jonka toiminnan tasapainoolosuhteiden tunteminen on perustavanlaatuista, on vipu. Mieti artikkelissa, millaisia vipuvaikutuksia ovat.
Mitä se on fysiikassa?
Ennen kuin puhumme viputyypeistä (fysiikassa luokka 7 läpäisee tämän aiheen), määritellään tämä laite. Vipu on yksinkertainen mekanismi, jonka avulla voit muuntaa voiman etäisyydeksi ja päinvastoin. Vivussa on yksinkertainen laite, se koostuu palkista (laudasta, tangosta), jolla on tietty pituus, ja yhdestä tuesta. Tuen asento ei ole kiinteä, joten se voidaan sijoittaa sekä palkin keskelle että sen päähän. Huomaa heti, että tuen asento määrittää yleensä vivun tyypin.
Ihminen on käyttänyt jälkimmäistä muinaisista ajoista lähtien. Joten tiedetään, että muinaisessa Mesopotamiassa tai Egyptissä sen avulla nostettiin vettä joista tai siirrettiin v altavia kiviä aikana.erilaisten rakenteiden rakentaminen. Käytti vipua aktiivisesti muinaisessa Kreikassa. Ainoa kirjallinen todiste, joka on säilynyt tämän yksinkertaisen mekanismin käytöstä, on Plutarkoksen "Parallel Lives", jossa filosofi antaa esimerkin Arkhimedesen lohkojen ja vipujen järjestelmän käytöstä.
Vääntömomentin käsite
Erilaisten vipujen toimintaperiaatteen ymmärtäminen fysiikassa on mahdollista, jos tutkit tarkasteltavana olevan mekanismin tasapainokysymystä, joka liittyy läheisesti voimamomentin käsitteeseen.
Voimamomentti on arvo, joka saadaan kertomalla voima sen kohdistamispisteen ja pyörimisakselin välisellä etäisyydellä. Tätä etäisyyttä kutsutaan "voiman olkapääksi". Merkitään F ja d - voima ja sen olake, vastaavasti, niin saadaan:
M=Fd
Voimamomentti tarjoaa mahdollisuuden pyöriä koko järjestelmän tämän akselin ympäri. Eläviä esimerkkejä, joissa voit havaita voiman vaikutuksen, ovat mutterin avaaminen avaimella tai oven avaaminen kahvalla, joka on kaukana oven saranoista.
Vääntömomentti on vektorisuure. Ongelmia ratkaistaessa on usein otettava huomioon sen merkki. On muistettava, että mikä tahansa voima, joka saa kappalejärjestelmän pyörimään vastapäivään, luo voimamomentin merkillä +.
Viputasapaino
Yllä oleva kuva esittää tyypillistä vipua ja siihen vaikuttavat voimat on merkitty. Myöhemmin artikkelissa sanotaan, että se on -ensimmäisen tyyppistä vipuvaikutusta. Tässä kirjaimet F ja R tarkoittavat vastaavasti ulkoista voimaa ja tiettyä kuorman painoa. Voit myös nähdä, että tuki on siirtynyt keskeltä, joten varsien dF ja dR pituudet eivät ole keskenään yhtä suuria.
Statiikassa osoitetaan, että vipu ei liiku kokonaisuutena, vaan kaikkien siihen vaikuttavien voimien summan on oltava nolla. Olemme havainneet niistä vain kaksi. Itse asiassa on olemassa myös kolmas, joka on näiden kahden vastakohta ja yhtä suuri kuin niiden summa - tämä on tukireaktio.
Jotta vipu ei tekisi pyöriviä liikkeitä, on välttämätöntä, että kaikkien voimien momenttien summa on yhtä suuri kuin nolla. Tuen reaktiovoiman olake on nolla, joten se ei luo hetkeä. Vielä on kirjoitettava ylös voimien F ja R momentit:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Tallennettu vivun tasapainotila kaavana, annettu myös:
dR/dF=F/R
Tämä yhtäläisyys tarkoittaa, että jotta vipu ei pyöri, ulkoisen voiman on oltava niin monta kertaa suurempi (pienempi) kuin nostettavan kuorman paino, kuinka monta kertaa tämän voiman varsi on pienempi (suurempi) kuin varsi, johon paino vaikuttaa lastiin.
Annettu sanamuoto tarkoittaa, että kuinka monta kertaa voitamme matkalla tarkasteltavana olevan mekanismin avulla, menetämme vahvuudessa saman verran.
Ensimmäisen luokan vipu
Se näytettiin edellisessä kappaleessa. Tässä sanotaan vain, että tämän tyyppiselle vivulle tuki sijaitsee vaikuttavien voimien F ja R välissä. Varsien pituuksien suhteesta riippuen tällainen vipu voivoidaan käyttää sekä painojen nostamiseen että kehon kiihtyvyyteen.
Mekaaniset vaa'at, sakset, naulanvetäjä, katapultti ovat esimerkkejä ensimmäisen tyyppisistä vivuista.
Tasapainon tapauksessa meillä on kaksi samanpituista vartta, joten vivun tasapaino saavutetaan vain, kun voimat F ja R ovat keskenään yhtä suuret. Tätä tosiasiaa käytetään punnitsemaan kappaleita, joiden massa on tuntematon, vertaamalla sitä vertailuarvoon.
Sakset ja naulanvetäjä ovat loistavia esimerkkejä voiman saamisesta, mutta menettämisestä matkan varrella. Kaikki tietävät, että mitä lähemmäksi saksien akselia paperiarkki asetetaan, sitä helpompi se on leikata. Päinvastoin, jos yrität leikata paperia saksien kärjillä, on suuri todennäköisyys, että he alkavat "pureskella" sitä. Mitä pidempi saksien tai naulanvetäjän kahva on, sitä helpompi vastaava toimenpide on suorittaa.
Katapultin os alta tämä on elävä esimerkki vivun avulla saavuttamisesta matkalla ja siten kiihtyvyydestä, jonka sen olkapää antaa ammukselle.
Toisen tyyppinen vipu
Kaikissa toisen tyyppisissä vivuissa tuki sijaitsee lähellä palkin toista päätä. Tämä järjestely johtaa siihen, että vivun kohdalla on vain yksi olkapää. Tällöin kuorman paino sijoittuu aina tuen ja ulkoisen voiman F väliin. Voimien järjestely toisen tyyppisessä vivussa johtaa ainoaan hyödylliseen tulokseen: voiman lisääntymiseen.
Esimerkkejä tämäntyyppisestä vipuvaikutuksesta ovat kottikärryt, joita käytetään raskaiden kuormien kuljettamiseen, ja pähkinänsärkijä. Kummassakaan tapauksessa matkan varrella tappiolla ei ole negatiivista arvoa. Käsikirjoituksen tapauksessa siiskottikärryt, on tärkeää vain pitää kuorma painossa sen liikkuessa. Tässä tapauksessa kohdistettu voima on useita kertoja pienempi kuin kuorman paino.
Kolmannen tyyppinen vipu
Tämän tyyppisen vivun rakenne on monella tapaa samanlainen kuin edellinen. Tässä tapauksessa tuki sijaitsee myös palkin toisessa päässä, ja vivulla on yksi varsi. Vaikuttavien voimien sijainti siinä on kuitenkin täysin erilainen kuin toisenlaisen vivun. Voiman F kohdistamispiste on kuorman painon ja tuen välissä.
Lapio, este, onki ja pinsetit ovat silmiinpistäviä esimerkkejä tämäntyyppisestä vipuvaikutuksesta. Kaikissa näissä tapauksissa voitamme matkalla, mutta voimat menetetään merkittävästi. Esimerkiksi raskaan kuorman pitämiseksi pinseteillä sinun on käytettävä suurta voimaa F, joten tämän työkalun käyttäminen ei tarkoita painavien esineiden pitämistä sillä.
Lopuksi totean, että kaikki vivut toimivat samalla periaatteella. Ne eivät hyödytä tavaroiden siirtotyötä, vaan antavat sinun vain jakaa tämän työn uudelleen sen kätevämmän toteuttamisen suuntaan.
