Ihmiskunta on pitkään käyttänyt yksinkertaisia koneita ja mekanismeja fyysisen työn helpottamiseksi ja yksinkertaistamiseksi. Yksi näistä mekanismeista on vipu. Mikä on vipu fysiikassa, mikä kaava kuvaa sen tasapainoa ja minkä tyyppiset vivut ovat - kaikki nämä kysymykset paljastuvat artikkelissa.
Konsepti
Fysiikassa vipu on mekanismi, joka koostuu palkista tai levystä ja yhdestä tuesta. Tuki jakaa palkin yleensä kahteen epätasaiseen osaan, joita kutsutaan vipuvarsiksi. Jälkimmäinen voi suorittaa kiertoliikkeen tukipisteen ympäri.
Yksinkertaisena mekanismina vipu on suunniteltu suorittamaan fyysistä työtä tehon tai kuljetuksen aikana. Käytetyt voimat vaikuttavat vivun varsiin sen käytön aikana. Yksi niistä on vastustuksen voima. Se syntyy siirrettävän (nostettavan) kuorman painosta. Toinen voima on jokin ulkoinen voima, joka useimmissa tapauksissa kohdistuu vipuvarteen ihmiskäden avulla.
Yllä olevassa kuvassa näkyy tyypillinen vipukaksi olkapäätä. Myöhemmin artikkelissa selitetään, miksi se viittaa toisen tyyppiseen vipuvaikutukseen.
Vipusääntö näyttää tältä:
VoimaVoimavarsi=kuormitusKuormitusvarsi
Voiman hetki
Tehdään poikkeama fysiikan vivun teemasta ja otetaan huomioon tärkeä fysikaalinen suure sen toiminnan ymmärtämiseksi. Kyse on voiman hetkestä. Se on voiman ja sen soveltamisvarren pituuden tulo, joka kirjoitetaan matemaattisesti seuraavasti:
M=Fd
On tärkeää olla sekoittamatta, voiman d käsivartta ja vivun vartta, yleensä nämä ovat eri käsitteitä.
Voimamomentti osoittaa jälkimmäisen kyvyn tehdä käännös järjestelmässä. Joten monet ihmiset tietävät, että ovi on paljon helpompi avata kahvasta kuin työntää se lähelle saranoita, tai pultin mutteri on helpompi irrottaa pitkällä avaimella kuin lyhyellä.
Voimamomentti on vektori. Yksinkertaisen vipumekanismin toiminnan ymmärtämiseksi fysiikassa riittää, että tietää, että momentti katsotaan positiiviseksi, jos voima pyrkii kääntämään vipuvartta vastapäivään. Jos se pyrkii kääntymään myötäpäivään, niin hetki tulee ottaa miinusmerkillä.
Viputasapaino fysiikassa
Jotta on helpompi ymmärtää, missä olosuhteissa vipu on tasapainossa, harkitse seuraavaa kuvaa.
Tässä esitetään kaksi voimaa: kuorma R ja ulkoinen voima F, jotka kohdistetaan tämän voittamiseksikuormia. Näiden voimien käsivarret ovat dR ja dF, vastaavasti. Itse asiassa on olemassa toinenkin voima - tuen reaktio, joka vaikuttaa pystysuoraan ylöspäin palkin ja vivun tuen kosketuspisteessä. Koska tämän voiman olake on nolla, sitä ei huomioida enempää tasapainoehtoa määritettäessä.
Stiikan mukaan järjestelmän pyöriminen on mahdotonta, jos ulkoisten voimien momenttien summa on nolla. Kirjoita näiden hetkien summa ottaen huomioon niiden merkki:
RdR- FdF=0.
Kirjoitettu yhtäläisyys heijastaa vivun riittävää tasapainotilaa. Jos vipuun ei vaikuta kaksi voimaa, vaan enemmän, tämä ehto säilyy silti. Vain kahden voimamomentin summan sijasta on tarpeen löytää vaikuttavien voimien kaikkien momenttien summa ja rinnastaa ne nollaan.
Voitto on vahva ja matkalla
Edelliseen kappaleeseen kirjoitettu fysiikan vipuvoimien momenttien lauseke kirjoitetaan uudelleen seuraavaan muotoon:
RdR=FdF
Yllä olevasta kaavasta seuraa:
dR / dF=F / R.
Tämä yhtälö sanoo, että tasapainon säilyttämiseksi on välttämätöntä, että voima F on yhtä monta kertaa suurempi kuin kuorman R paino, kuinka monta kertaa sen varsi dF vähemmän kuin käsivarsi d R. Koska vipua liikuttaessa oleva suurempi varsi kulkee pidemmän matkan kuin pienempi varsi, meillä on mahdollisuus suorittaa sama työ vipua käyttämällä kahdella tavalla:
- käytä enemmän voimaa F ja siirrä olkapää kohtilyhyt matka;
- kohdista pieni voima F ja siirrä olkapäätä pitkän matkan.
Ensimmäisessä tapauksessa puhutaan vahvistuksesta matkalla siirrettäessä kuormaa R, toisessa tapauksessa saadaan vahvistus, koska F < R.
Missä vipuvaikutusta käytetään ja mitä ne ovat?
Fysiikan vipuvoimien kohdistamisesta ja tuen asennosta riippuen yksinkertaisin mekanismi voi olla kolmen tyyppistä:
- Tämä on kaksivartinen vipu, jossa tukiasento poistetaan tasaisesti palkin molemmista päistä. Käsivarsien pituuksien suhteesta riippuen tämän tyyppinen vipu antaa sinun voittaa sekä tavalla että vahvuudessa. Esimerkkejä sen käytöstä ovat vaa'at, pihdit, sakset, naulanvetäjä, vauvakeinu.
- Toisen tyyppinen vipu on yksivartinen, eli tuki sijaitsee lähellä sen yhtä päätä. Tässä tapauksessa ulkoinen voima kohdistetaan palkin toiseen päähän, ja kuormitusvoima vaikuttaa tuen ja ulkoisen voiman väliin, mikä antaa sinun voittaa juuri tässä voimassa. Kottikärryt tai pähkinänsärkijä ovat hyviä esimerkkejä tällaisesta vipuvaikutuksesta.
- Kolmatta mekanismityyppiä edustavat esimerkit, kuten onki tai pinsetit. Tämäkin vipu on yksivartinen, mutta ulkoinen voima on jo lähempänä tukea kuin kuorman kohdistuskohta. Tämän yksinkertaisen mekanismin suunnittelun avulla voit voittaa tiellä, mutta menettää voimaa. Siksi pientä kalaa on vaikea pitää vavan tai raskaan esineen päässä pinseteillä painolla.
Toistan, että fysiikan vipu sallii vaintehdä tämän tai toisen tavaransiirtotyön suorittamisesta kätevää, mutta se ei anna sinun voittaa tässä työssä.
