Ľudstvo už dlho používa jednoduché stroje a mechanizmy na uľahčenie a zjednodušenie fyzickej práce. Jedným z týchto mechanizmov je páka. Čo je to páka vo fyzike, aký vzorec popisuje jej rovnováhu a aké sú typy pák - všetky tieto otázky sú uvedené v článku.
Koncept
Páka vo fyzike je mechanizmus pozostávajúci z nosníka alebo dosky a jednej podpery. Podpera vo všeobecnosti rozdeľuje nosník na dve nerovnaké časti, ktoré sa nazývajú ramená páky. Ten môže vykonávať rotačný pohyb okolo otočného bodu.
Páka je jednoduchým mechanizmom a je navrhnutá tak, aby vykonávala fyzickú prácu so ziskom buď na sile alebo pri prechode. Aplikované sily pôsobia na ramená páky počas jej činnosti. Jednou z nich je sila odporu. Vzniká hmotnosťou bremena, ktoré je potrebné presunúť (zdvihnúť). Druhá sila je nejaká vonkajšia sila, ktorá je vo väčšine prípadov aplikovaná na rameno páky pomocou ľudských rúk.
Vyššie uvedený obrázok zobrazuje typickú páku sdve ramená. Neskôr v článku bude vysvetlené, prečo sa to týka pákového efektu druhého druhu.
Pákové pravidlo vyzerá takto:
SilaSilové rameno=ZaťaženieZaťažovacie rameno
Moment sily
Urobme odbočku od témy páky vo fyzike a pouvažujme o dôležitej fyzikálnej veličine na pochopenie jej fungovania. Ide o moment sily. Je to súčin sily a dĺžky ramena jej aplikácie, čo je matematicky zapísané takto:
M=Fd
Je dôležité nezamieňať si rameno sily d a rameno páky, vo všeobecnosti ide o rozdielne pojmy.
Moment sily ukazuje jeho schopnosť otočiť systém. Mnoho ľudí teda vie, že je oveľa jednoduchšie otvoriť dvere za kľučku, ako ich zatlačiť blízko k pántom, alebo je jednoduchšie odskrutkovať maticu na skrutke dlhým kľúčom ako krátkym.
Moment sily je vektor. Na pochopenie fungovania jednoduchého pákového mechanizmu vo fyzike stačí vedieť, že moment sa považuje za pozitívny, ak má sila tendenciu otáčať rameno páky proti smeru hodinových ručičiek. Ak má tendenciu otáčať sa v smere hodinových ručičiek, moment by mal byť označený znamienkom mínus.
Vyváženie páky vo fyzike
Aby ste ľahšie pochopili, za akých podmienok bude páka v rovnováhe, zvážte nasledujúci obrázok.
Tu sú znázornené dve sily: zaťaženie R a vonkajšia sila F pôsobiaca na ich prekonaniezaťaženie. Ramená týchto síl sa rovnajú dR a dF. V skutočnosti existuje iná sila - reakcia podpery, ktorá pôsobí zvisle nahor v mieste dotyku nosníka a podpery páky. Keďže rameno tejto sily sa rovná nule, nebude sa ďalej brať do úvahy pri určovaní podmienky rovnováhy.
Podľa statiky rotácia systému nie je možná, ak sa súčet momentov vonkajších síl rovná nule. Napíšme súčet týchto momentov, berúc do úvahy ich znamenie:
RdR- FdF=0.
Zapísaná rovnosť odráža dostatočnú podmienku rovnováhy pre páku. Ak na páku nepôsobia dve sily, ale viac, potom tento stav stále zostane. Len namiesto súčtu dvoch momentov síl bude potrebné nájsť súčet všetkých momentov pôsobiacich síl a prirovnať ich k nule.
Výhra je silná a na ceste
Výraz pre momenty pákových síl vo fyzike, ktorý bol napísaný v predchádzajúcom odseku, bude prepísaný v nasledujúcom tvare:
RdR=FdF
Z vyššie uvedeného vzorca vyplýva:
dR / dF=F / R.
Táto rovnosť hovorí, že na udržanie rovnováhy je potrebné, aby sila F bola toľkokrát väčšia ako hmotnosť bremena R, koľkokrát je jeho rameno dF menej ako rameno d R. Keďže väčšie rameno v procese pohybu páky prejde dlhšiu dráhu ako menšie rameno, máme možnosť vykonať rovnakú prácu pomocou páky dvoma spôsobmi:
- aplikujte väčšiu silu F a posuňte rameno kkrátka vzdialenosť;
- použite malú silu F a posuňte rameno na veľkú vzdialenosť.
V prvom prípade sa hovorí o prírastku na ceste v procese presúvania nákladu R, v druhom prípade o prírastku na sile, pretože F < R.
Kde sa pákový efekt používa a aké sú?
V závislosti od miesta pôsobenia síl páky vo fyzike a od polohy podpery môže byť najjednoduchší mechanizmus troch typov:
- Toto je dvojramenná páka, v ktorej je podporná poloha rovnomerne odstránená z oboch koncov nosníka. V závislosti od pomeru dĺžok ramien vám tento typ páky umožňuje vyhrať spôsobom aj silou. Príklady jeho použitia zahŕňajú váhy, kliešte, nožnice, vyťahovač nechtov, detská hojdačka.
- Páka druhého druhu je jednoramenná, to znamená, že podpera je umiestnená blízko jedného z jej koncov. V tomto prípade je vonkajšia sila aplikovaná na druhý koniec nosníka a záťažová sila pôsobí medzi podperou a vonkajšou silou, čo vám umožňuje vyhrať práve v tejto sile. Fúrik alebo luskáčik sú hlavnými príkladmi tohto druhu pákového efektu.
- Tretí typ mechanizmu reprezentujú príklady ako rybársky prút alebo pinzeta. Táto páka je tiež jednoramenná, ale vonkajšia aplikovaná sila je už bližšie k podpere ako k bodu pôsobenia zaťaženia. Tento dizajn jednoduchého mechanizmu vám umožňuje vyhrať na ceste, ale stratiť na sile. Preto je ťažké udržať malú rybu na závaží na konci rybárskeho prútu alebo ťažký predmet pinzetou.
Zopakujem, že páka vo fyzike to len umožňujeuľahčuje vykonávanie tej či onej práce pri presúvaní tovaru, ale neumožňuje vám v tejto práci vyhrať.
