Простые механизмы. Рычаг

Введение

Простые механизмы – это устройства, которые преобразуют силу. К простым механизмам относят рычаг, блок, наклонную плоскость (ворот).

Рычаг

Рычаг

Рычаг – твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси (рис. 1).

Примеры рычагов в быту

Рис. 1. Примеры рычагов в быту

Рычаг первого рода

Проведем опыт с рычагом.

К штативу прикрепили рычаг, который может вращаться вокруг точки опоры, уравновесили этот рычаг и подвесили груз. К плечу l₁подвесили груз массой 200 г, расстояние от оси до груза – 10 см, на плече действует сила 2 Н. К плечу l₂ подвесили груз массой 100 г, расстояние от оси до груза – 20 см, на плече действует сила 1 Н. Силу в 2 Н смогли уравновесить силой 1 Н, получив выигрыш в силе в два раза (рис. 2).

Демонстрация опыта с рычагом

Рис. 2. Демонстрация опыта с рычагом

Переместив грузы на плечо l₁ на расстояние 5см от оси до груза, рычаг выйдет из равновесия, и, чтобы его уравновесить, необходимо груз на плечо l₂переместить на расстояние 10 см от оси до груза.

Изменяя расстояния грузов до оси вращения рычага, но не меняя значения сил действующих на рычаг, можно прийти к выводу, что рычаг находится в равновесии, если отношение сил обратно пропорционально отношению плеч этих сил.

– правило равновесия рычага.

Это правило установил Архимед (рис. 3) в III веке до н. э.

Архимед

Рис. 3. Архимед

Отсюда следует:

Произведение силы на плечо называется моментом силы:

– единица измерения момента силы в системе СИ.

Сила F₂при оси О будет иметь момент, который будет вращать тело по часовой стрелке. Сила F₁при оси О будет иметь момент, который будет вращать тело против часовой стрелки (рис. 4). Из этого мы получаем правило моментов сил . Для того чтобы рычаг был в равновесии, нужно, чтобы момент силы, действующей по часовой стрелке, был равен моменту действующей силы против часовой стрелки.

Рис. 4. Действие моментов сил на рычаг

Рычаг второго рода

К рычагам относятся тела, которые имеют ось вращения на конце (рис. 5).

Пример рычага второго рода

Рис. 5. Пример рычага второго рода

Изобразим на штативе рычаг второго рода, с осью О на конце. Сила F₂имеет плечо l₂, сила подъема F₁, имеет плечо l1 (рис. 6).

Пример рычага второго рода

Рис. 6. Рычаг второго рода

Для рассмотрения условия равновесия такого рычага также применяется правило моментов .

Блок

Блок – это разновидность рычага, представляет собой колесо с желобом (рис. 7), через желоб можно пропустить веревку, трос, канат или цепь.

Блок – это разновидность рычага, представляет собой колесо с желобом

Рис. 7. Блок

Опыт с неподвижным блоком

Закрепим на штативе неподвижный блок, на одном конце веревки разместим грузик массой 100 г, пропустим веревку через блок и второй конец веревки закрепим к динамометру. Начнем поднимать груз, динамометр показывает силу 1 Н, сила тяжести, действующая на грузик, тоже 1 Н, но при этом мы можем менять направление силы, для этого и нужен неподвижный блок. Он не дает выигрыш в силе (рис. 8).

Изменения направления силы с помощью неподвижного блока

Рис. 8. Изменения направления силы с помощью неподвижного блока

Опыт с подвижным блоком

Один конец веревки закреплен неподвижно, веревка продета через подвижный блок массой 50 г, к которому прикреплен груз массой 350 г. Далее веревка продета через неподвижный блок и прикреплена к динамометру. Сила, действующая на систему, – 4 Н. Потянув динамометр, мы увидим, что он показывает силу в 2 Н. Таким образом, подвижный блок позволяет получить выигрыш в силе в два раза (рис. 9).

Выигрыш в силе с помощью подвижного блока