Rovnováha vo fyzike je stav systému, v ktorom je v relatívnom pokoji k okolitým objektom. Statika je štúdium rovnovážnych podmienok. Jedným z mechanizmov, pre ktorého činnosť má zásadný význam znalosť rovnovážnych podmienok, je páka. Zvážte v článku, aké typy pákového efektu sú.
Čo je to vo fyzike?
Skôr ako sa budeme rozprávať o typoch pák (vo fyzike táto téma prejde 7. ročníkom), definujme toto zariadenie. Páka je jednoduchý mechanizmus, ktorý umožňuje premieňať silu na vzdialenosť a naopak. Páka má jednoduché zariadenie, skladá sa z nosníka (doska, tyč), ktorý má určitú dĺžku, a jednej podpery. Poloha podpery nie je pevná, takže môže byť umiestnená ako v strede nosníka, tak aj na jeho konci. Hneď si všimneme, že poloha podpery vo všeobecnosti určuje typ páky.
Tú druhú používa človek od nepamäti. Je teda známe, že v starovekej Mezopotámii alebo v Egypte pomocou nej dvíhali vodu z riek alebo presúvali obrovské kamene počasvýstavba rôznych štruktúr. Aktívne sa páka používala v starovekom Grécku. Jediným písomným dôkazom, ktorý sa zachoval o použití tohto jednoduchého mechanizmu, sú Plutarchove „Paralelné životy“, kde filozof uvádza príklad použitia systému blokov a pák Archimedom.
Koncept krútiaceho momentu
Pochopenie princípu fungovania rôznych typov pák vo fyzike je možné, ak si preštudujete problematiku rovnováhy uvažovaného mechanizmu, ktorá úzko súvisí s pojmom moment sily.
Moment sily je hodnota, ktorá sa získa vynásobením sily vzdialenosťou od bodu jej pôsobenia k osi rotácie. Táto vzdialenosť sa nazýva „rameno sily“. Označme F a d - silu a jej rameno, potom dostaneme:
M=Fd
Moment sily poskytuje možnosť otáčania okolo tejto osi celého systému. Živými príkladmi, v ktorých môžete pozorovať moment sily v akcii, je odskrutkovanie matice pomocou kľúča alebo otvorenie dverí pomocou kľučky, ktorá je ďaleko od pántov dverí.
Krútiaci moment je vektorová veličina. Pri riešení problémov treba často brať do úvahy jej znamenie. Treba mať na pamäti, že každá sila, ktorá spôsobí otáčanie sústavy telies proti smeru hodinových ručičiek, vytvára moment sily so znamienkom +.
Zostatok páky
Vyššie uvedený obrázok znázorňuje typickú páku a sú vyznačené sily, ktoré na ňu pôsobia. Neskôr v článku bude povedané, že je to -pákový efekt prvého druhu. Písmená F a R tu označujú vonkajšiu silu a určitú hmotnosť bremena. Môžete tiež vidieť, že podpera je odsadená od stredu, takže dĺžky ramien dF a dR nie sú rovnaké.
V statike sa ukazuje, že páka sa nepohybuje ako celý mechanizmus, súčet všetkých síl, ktoré na ňu pôsobia, sa musí rovnať nule. Zaznamenali sme len dve z nich. V skutočnosti existuje aj tretia, ktorá je opačná k týmto dvom a rovná sa ich súčtu – toto je podporná reakcia.
Aby páka nevykonávala rotačné pohyby, je potrebné, aby súčet všetkých momentov síl bol rovný nule. Rameno reakčnej sily podpery je nulové, takže nevytvára moment. Zostáva zapísať momenty síl F a R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Zaznamenaný stav rovnováhy páky ako vzorec, tiež uvedený:
dR/dF=F/R
Táto rovnosť znamená, že aby sa páka neotáčala, vonkajšia sila musí byť toľkokrát väčšia (menšia) ako hmotnosť zdvíhaného bremena, koľkokrát je rameno tejto sily menšie (väčšia) ako rameno, na ktoré váha pôsobí náklad.
Daná formulácia znamená, že koľkokrát vyhráme na ceste pomocou uvažovaného mechanizmu, stratíme rovnakú čiastku na sile.
Páka prvého druhu
Bolo to zobrazené v predchádzajúcom odseku. Tu len povieme, že pre páku tohto typu je podpera umiestnená medzi pôsobiacimi silami F a R. V závislosti od pomeru dĺžok ramien môže takáto pákapoužiť na zdvíhanie závaží aj na zrýchlenie tela.
Mechanické váhy, nožnice, vyťahovač klincov, katapult sú príklady pák prvého druhu.
V prípade rovnováhy máme dve ramená rovnakej dĺžky, takže rovnováha páky sa dosiahne len vtedy, keď sú sily F a R navzájom rovnaké. Táto skutočnosť sa používa na váženie telies neznámej hmotnosti porovnaním s referenčnou hodnotou.
Nožnice a vyťahovač nechtov sú hlavnými príkladmi toho, ako naberať silu, ale zároveň strácať. Každý vie, že čím bližšie k osi nožníc je list papiera položený, tým je ľahšie ho odrezať. Naopak, ak sa pokúsite strihať papier špičkami nožníc, potom je vysoká pravdepodobnosť, že ho začnú „žuť“. Čím dlhšia je rukoväť nožníc alebo vyťahovača nechtov, tým ľahšie je vykonať príslušnú operáciu.
Pokiaľ ide o katapult, toto je názorný príklad získavania pomocou páky na ceste, a teda aj zrýchlenia, ktoré jej rameno udeľuje projektilu.
Páka druhého druhu
Vo všetkých pákach druhého druhu je podpera umiestnená blízko jedného z koncov nosníka. Toto usporiadanie vedie k prítomnosti iba jedného ramena na páke. V tomto prípade je hmotnosť bremena vždy umiestnená medzi podperou a vonkajšou silou F. Usporiadanie síl v páke druhého druhu vedie k jedinému užitočnému výsledku: získaniu sily.
Príkladmi tohto typu pákového efektu sú fúrik, ktorý sa používa na prepravu ťažkých nákladov, a luskáčik na orechy. V oboch prípadoch strata na ceste nemá žiadnu zápornú hodnotu. Takže v prípade manuálufúrik, dôležité je len udržať náklad na váhe počas pohybu. V tomto prípade je aplikovaná sila niekoľkonásobne menšia ako hmotnosť nákladu.
Páka tretieho druhu
Konštrukcia tohto typu páky je v mnohom podobná predchádzajúcej. Podpera je v tomto prípade tiež umiestnená na jednom z koncov nosníka a páka má jedno rameno. Umiestnenie pôsobiacich síl v nej je však úplne iné ako v páke druhého druhu. Miesto pôsobenia sily F je medzi hmotnosťou nákladu a podpery.
Lopata, bariéra, rybársky prút a pinzeta sú nápadnými príkladmi tohto typu pákového efektu. Vo všetkých týchto prípadoch vyhrávame na ceste, ale je tu výrazná strata sily. Napríklad na uchytenie ťažkého bremena pomocou pinzety musíte vyvinúť veľkú silu F, takže použitie tohto nástroja neznamená držanie ťažkých predmetov.
Na záver poznamenávame, že všetky typy pák fungujú na rovnakom princípe. Neposkytujú zisk pri práci s premiestňovaním tovaru, ale umožňujú vám iba prerozdeliť túto prácu v smere jej pohodlnejšej implementácie.
