Od staroveku sa ľudstvo snažilo akýmkoľvek spôsobom uľahčiť svoju fyzickú prácu. Prostriedkom na vyriešenie tohto problému sa stali jednoduché mechanizmy. Tento článok pojednáva o vynálezoch ako páka a blok, ako aj systém pák a blokov.
Čo je pákový efekt a kedy bol použitý?
Asi každý pozná tento jednoduchý mechanizmus už od detstva. Vo fyzike je páka kombináciou lúča (tyče, dosky) a jednej podpery. Slúži ako páka na zdvíhanie závažia alebo na prenos rýchlosti do tela. V závislosti od polohy podpery pod nosníkom môže páka viesť k zvýšeniu sily alebo pohybu bremien. Treba povedať, že páka nevedie k znižovaniu práce ako fyzikálnej veličiny, len umožňuje pohodlné prerozdelenie jej výkonu.
Človek využíva páku už dlho. Existuje teda dôkaz, že ho používali starí Egypťania pri stavbe pyramíd. Prvý matematický popis účinku páky pochádza z 3. storočia pred Kristom a patrí Archimedovi. Moderné vysvetlenie princípu fungovania tohto mechanizmu zahŕňajúcepojem moment sily vznikol až v 17. storočí, počas formovania Newtonovej klasickej mechaniky.
Pákové pravidlo
Ako páka funguje? Odpoveď na túto otázku je obsiahnutá v koncepte momentu sily. Ten sa nazýva taká hodnota, ktorá sa získa ako výsledok vynásobenia ramena sily jeho modulom, to znamená:
M=Fd
Rameno sily d je vzdialenosť od otočného bodu k bodu pôsobenia sily F.
Keď páka robí svoju prácu, pôsobia na ňu tri rôzne sily:
- vonkajšia sila použitá napríklad osobou;
- hmotnosť bremena, ktoré sa osoba snaží presunúť pomocou páky;
- reakcia podpery pôsobiacej zo strany podpery na nosník páky.
Reakcia podpery vyrovnáva ostatné dve sily, takže páka sa v priestore neposúva dopredu. Aby nevykonávala aj rotačný pohyb, je potrebné, aby súčet všetkých momentov síl bol rovný nule. Moment sily sa vždy meria vzhľadom na nejakú os. V tomto prípade je táto os oporným bodom. Pri tejto voľbe osi bude rameno pôsobenia reakčnej sily podpery rovné nule, to znamená, že táto sila vytvára nulový moment. Obrázok nižšie zobrazuje typickú páku prvého druhu. Šípky označujú vonkajšiu silu F a hmotnosť bremena R.
Zapíšte si súčet momentov pre tieto sily, máme:
RdR+ (-FdF)=0
Rovnosť súčtu momentov na nulu zaisťuje absenciu rotácie ramien páky. Momentsila F sa berie so záporným znamienkom, pretože táto sila má tendenciu otáčať pákou v smere hodinových ručičiek, zatiaľ čo sila R má tendenciu otáčať proti smeru hodinových ručičiek.
Prepísaním tohto výrazu do nasledujúcich tvarov získame podmienky rovnováhy pre páku:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Získali sme písomné rovnosti pomocou konceptu momentu sily. V III storočí pred naším letopočtom. e. Grécki filozofi o tomto fyzikálnom koncepte nevedeli, napriek tomu Archimedes ako výsledok experimentálnych pozorovaní stanovil inverzný vzťah medzi pomerom síl pôsobiacich na ramená páky a dĺžkou týchto ramien.
Zaznamenané rovnosti ukazujú, že zníženie dĺžky ramena dR prispieva k vzniku možnosti zdvíhania veľkých váh pomocou malej sily F a dlhé rameno dF R náklad.
Čo je to blok vo fyzike?
Block je ďalší jednoduchý mechanizmus, ktorým je okrúhly valec s drážkou po obvode valcovej plochy. Brázda slúži na zaistenie lana alebo reťaze. Blok má os otáčania. Obrázok ukazuje príklad bloku, ktorý ukazuje, ako to funguje.
Tento blok sa nazýva pevný. Neprináša na sile, ale umožňuje vám zmeniť jeho smer.
Okrem pevného bloku existuje aj pohyblivý blok. Systém pohyblivých a pevných blokov je zobrazený nižšie.
Ak sa na tento systém aplikuje pravidlo momentov, tak to mámeprírastok na sile je dvojnásobný, ale zároveň strácame rovnakú sumu na ceste (na obrázku F=60 N).
Systém pák a blokov
Ako bolo spomenuté v predchádzajúcich odsekoch, pákový efekt možno použiť na získanie cesty alebo sily, zatiaľ čo blok vám umožňuje získať silu a zmeniť smer jej pôsobenia. Tieto vlastnosti uvažovaných jednoduchých mechanizmov sa využívajú v systémoch pák a blokov. V týchto systémoch každý prvok odoberá určitú silu a prenáša ju na iné prvky, takže získame pôvodnú silu ako výstup.
Jednoduché ovládanie páky a bloku a flexibilita ich konštrukčného použitia umožňuje zostaviť zložité mechanizmy z takejto kombinácie.
Príklady použitia systémov jednoduchých mechanizmov
V skutočnosti sú všetky stroje, ktoré nás obklopujú, systémom pák a blokov. Tu sú najznámejšie príklady:
- písací stroj;
- klavír;
- crane;
- skladacie lešenie;
- nastaviteľné postele a stoly;
- súbor ľudských kostí, kĺbov a svalov.
Ak je známa vstupná sila v každom z týchto systémov, potom sa výstupná sila môže vypočítať postupným aplikovaním pákového pravidla na každý prvok systému.
