Виды рычагов в физике

Равновесие в физике представляет собой состояние системы, при котором она находится в относительном покое к окружающим объектам. Изучением условий равновесия занимается статика. Одним из механизмов, знание условий равновесия для работы которого имеет принципиальное значение, является рычаг. Рассмотрим в статье, какие виды рычагов бывают.

Что это в физике?

Прежде чем говорить о видах рычагов (в физике 7 класса проходят данную тему), дадим определение этому устройству. Рычаг — это простой механизм, который позволяет преобразовывать силу в расстояние и наоборот. Рычаг имеет простое устройство, он состоит из балки (доски, стержня), которая имеет определенную длину, и из одной опоры. Положение опоры не является фиксированным, поэтому она может располагаться как на середине балки, так и на ее конце. Сразу отметим, что положение опоры в общем определяет вид рычага.

Последний используется человеком с незапамятных времен. Так, известно, что в древней Месопотамии или в Египте с помощью него поднимали из рек воду или перемещали огромные камни при строительстве различных сооружений. Активно использовали рычаг в Античной Греции. Единственное письменное свидетельство, которое сохранилось об использовании этого простого механизма — это «Параллельные жизни» Плутарха, где философ приводит пример использования системы блоков и рычагов Архимедом.

Понятие о вращающем моменте

Понимание принципа работы разного вида рычагов в физике возможно, если изучить вопрос равновесия рассматриваемого механизма, которое тесным образом связано с понятием момента силы.

Момент силы — это величина, которая получается, если умножить силу на расстояние от точки ее приложения до оси вращения. Это расстояние принято называть «плечом силы». Обозначим F и d — силу и ее плечо соответственно, тогда получаем:

Момент силы обеспечивает возможность совершить поворот вокруг данной оси всей системы. Яркими примерами, в которых можно наблюдать момент силы в действии, являются откручивание гаечным ключом гайки или открывание двери за ручку, находящуюся далеко от дверных петель.

Вращающий момент является векторной величиной. В решении задач часто приходится учитывать его знак. Следует запомнить, что всякая сила, вызывающая вращение системы тел против часовой стрелки, создает момент силы со знаком +.

Равновесие рычага

На рисунке выше показан типичный рычаг и отмечены силы, которые на него действуют. Далее в статье будет сказано, что это — рычаг первого рода. Здесь буквами F и R отмечены внешняя сила и некоторый вес груза соответственно. Также видно, что опора смещена относительно центра, поэтому длины плеч d_F и d_R не равны друг другу.

В статике показано, чтобы рычаг не двигался как целый механизм, должна нулю равняться сумма всех сил, которые на него действуют. Мы отметили только две из них. На самом деле существует еще и третья, которая этим двум противоположна и равна их сумме — это реакция опоры.

Чтобы рычаг не совершал вращательные движения, необходимо, чтобы сумма всех моментов сил была равна нулю. Плечо силы реакции опоры равно нулю, поэтому момента она не создает. Остается записать моменты сил F и R:

Записанное условие равновесия рычага в виде формулы, также приводится:

Это равенство означает, что для того, чтобы рычаг не совершал вращение, внешняя сила должна быть во столько раз больше (меньше) веса поднимаемого груза, во сколько раз плечо этой силы меньше (больше) плеча, на которое действует вес груза.

Приведенная формулировка означает, что во сколько раз мы выигрываем в пути с помощью рассматриваемого механизма, во столько же раз проигрываем в силе.

Рычаг первого рода

Он был показан в предыдущем пункте. Здесь лишь скажем, что для рычага данного вида опора расположена между действующими силами F и R. В зависимости от соотношения длин плеч такой рычаг может применяться как для подъема тяжестей, так и для придания телу ускорения.

Примерами рычагов первого рода являются механические весы, ножницы, гвоздодер, катапульта.

В случае весов мы имеет два плеча одинаковой длины, поэтому равновесие рычага достигается только в том случае, когда силы F и R равны друг другу. Этот факт используется для взвешивания тел неизвестной массы путем сравнения ее с эталонным значением.

Ножницы и гвоздодер — это яркие примеры выигрыша в силе, но проигрыша в пути. Каждый знает, что чем ближе к оси ножниц заложен лист бумаги, тем легче ее отрезать. Наоборот, если попытаться отрезать кончиками ножниц бумагу, то высока вероятность, что они начнут ее «жевать». Чем длиннее ручка ножниц или гвоздодер, тем легче выполнить с помощью них соответствующие операции.

Что касается катапульты, то это яркий пример выигрыша с помощью рычага в пути, а значит, и в ускорении, которое его плечо сообщает снаряду.

Рычаг второго рода

Во всех рычагах второго рода опора находится вблизи одного из концов балки. Это ее расположение приводит к наличию всего одного плеча у рычага. При этом вес груза расположен всегда между опорой и внешней силой F. Расположение сил в рычаге второго рода приводит к единственному полезному результату: выигрышу в силе.

Примерами этого вида рычага являются тачка ручная, которая служит для перевозки тяжелых грузов, а также орехокол. В обоих случаях проигрыш в пути не имеет никакого отрицательного значения. Так, в случае ручной тачки важно лишь удерживать груз на весу во время его перемещения. При этом прилагаемая сила оказывается в несколько раз меньше веса груза.

Рычаг третьего рода

Конструкция рычага этого вида во многом подобна предыдущему. Опора в этом случае также расположена на одном из концов балки, и рычаг обладает единственным плечом. Однако расположение действующих сил в нем совершенно иное, чем в рычаге второго рода. Точка приложения силы F находится между весом груза и опорой.

Яркими примерами этого вида рычага являются лопата, шлагбаум, удочка и пинцет. Во всех этих случаях мы в пути выигрываем, однако происходит существенный проигрыш в силе. Например, чтобы удержать тяжелый груз с помощью пинцета, необходимо приложить большую силу F, поэтому использование этого инструмента не подразумевает удержание с помощью него тяжелых предметов.

В заключение отметим, что все виды рычагов работают по одному и тому же принципу. Они не дают выигрыша в работе по перемещению грузов, а лишь позволяют перераспределить эту работу в сторону более удобного ее выполнения.

Три вида рычагов в робототехнике

Очень часто в робототехнике и при создании моделей приходится применять простейшие механизмы, без которых не обходилось человечество на протяжении тысячелетий. Как объяснить принцип работы механизмов ребенку 8-10 лет. Сегодня рассмотрим работу простейшего механизма: рычага. Наверное не каждый взрослый знает, что рычаги бывают 1,2 и 3-го рода. Как отличить? Тем более объяснить школьнику, не изучавшему пока курс физики. Хочу привести пример, с помощью каких простейших устройств можно рассказать как работает и чем отличается каждый из приведенных мной рычагов.

Посмотрите на рисунок и скажите, чем отличаются изображенные рычаги?

Примеры рычагов: гвоздодер, тачка и метла.

Где в этих примерах расположены точки нагрузки, приложения усилия относительно точки опоры.

Про тачку – нагрузкой является груз, а усилие прикладывает человек на рукоятки тачки.

Про гвоздодер — нагрузкой является вытаскиваемый гвоздь, а усилие прикладывается на край рукоятки молотка.

Про метлу — нагрузкой является мусор, а усилие прикладывается на середину ручки метлы.

Рычаг первого рода . Точки приложения сил находятся по разные стороны от точки опоры. Усилие приложено к длинному плечу рычага.

Рычаг второго рода . Точки приложения сил находятся по одну сторону от точки опоры. Усилие приложено к длинному плечу рычага.

Рычаг третьего рода . Точки приложения сил находятся по одну сторону от точки опоры. Усилие приложено к короткому плечу рычага.

Я думаю, что после таких примеров ребенок запомнит, и правильно применит в своем устройстве необходимый рычаг. А главное сможет их различать. Если Вам понравилась моя статья, ставьте лайки. До новых встреч.

Что это рычаг в физике? Принцип работы рычага. Виды рычагов

Каждый современный человек, который слышит слово «механизм», представляет себе набор шурупов, гаек, металлических прутьев, пружин, поршней, дисков и валов. В действительности же под этим словом обычно понимали более простые вещи, например, деревянный клин или обычную наклонную плоскость. Упомянутые механизмы называются простыми. Одним из них является рычаг. Рассмотрим в статье, что это — рычаг.

Физическое понятие о рычаге

Рычаг — это простой механизм, служащий для облегчения выполнения многих видов работ, например, подъем тяжестей или сообщение телам начальной скорости. Рычаг состоит из двух элементов: балки определенной длины и одной опоры. Опора, располагаемая под балкой, делит рычаг на два плеча. Соотношение их длин является принципиальным во время применения этого механизма.

На рисунке выше показан рассмотренный простой механизм, который является рычагом первого рода (см. ниже).

Историческая справка

Каждый школьник слышал уже в 7 классе о знаменитом рычаге Архимеда. Греческий философ утверждал, что при определенных размерах этого простого механизма он мог бы перевернуть нашу Землю, будь вторая такая планета, которую можно было бы использовать в качестве опоры. Архимеду действительно принадлежит большая заслуга в развитии статики, поскольку он смог экспериментально получить математическое равенство, которое в настоящее время носит название «Условия равновесия рычага».

Однако сам принцип рычага использовался задолго до нашей эры. Так, известно, что для забора воды из рек применялся этот простой механизм. Существуют исторические свидетельства, что при строительстве пирамид египтяне также применяли систему рычагов.

Принцип работы рычага

Познакомившись с вопросом, что такое рычаг в физике (это наипростейший механизм), перейдем к рассмотрению принципа, согласно которому с помощью рычага получается выигрыш в силе или в пути перемещения. Для этого вспомним, что в физике существует величина, которая называется моментом силы. Последний равен произведению плеча силы на модуль силы, то есть:

Где плечо силы d — это дистанция от опоры рычага до точки действия силы F.

Если вспомнить статику, то второе условие равновесия системы твердых тел в ней гласит, что система не будет совершать вращательного движения, если сумма всех n моментов сил в ней равна нулевому значению. То есть:

Прежде чем переходить к формулировке условия равновесия рычага, отметим, что момент силы, который стремится повернуть систему против часовой стрелки, является положительным. Противоположный ему момент будет отрицательным.

Выше показан рычаг, на который оказывают действие внешняя сила F и сила нагрузки R. Учитывая значение плеч сил и направления моментов, можно записать следующее равенство:

Откуда получаем условие равновесия рычага, полученное еще Архимедом:

Это условие говорит о том, что чем длиннее плечо d_F, тем меньшую силу F следует приложить, чтобы поднять вес R. При этом высота подъема этого веса будет меньше, чем высота, на которую опустится плечо d_F. Таким образом, при d_F>d_R получается выигрыш в силе, но проигрыш в пути. При обратном соотношении плеч получится выигрыш уже в пути, но силу F придется приложить большей величины, чем вес R.

Таким образом рычаг можно применять как для подъема тяжестей, так и для сообщения скорости телу весом R. Последнее раньше использовалось в катапультах.

Виды рычагов и примеры

В зависимости от положения опоры и порядка расположения действующих на балку сил рычаги бывают трех родов. Расскажем кратко об особенностях каждого из них.

Рычаг — это устройство, которое может быть нескольких видов. Первого рода рычаги являются двуплечими. В соответствии с соотношением длин плеч он может давать выигрыш в силе или в пути. Примерами применения таких рычагов являются ножницы, детские качели, гвоздодер.

Рычаг — это механизм не только двуплечий. Он также может иметь одно плечо, когда опора располагается вблизи края балки. В этом случае возможно два варианта в расположении точек приложения сил F и R, которые были рассмотрены ранее. Если F лежит дальше от опоры, чем R, то мы получаем рычаг второго рода, если же F ближе к опоре, чем R, то получаем рычаг третьего рода. Рычагами второго рода являются ручная тачка для перемещения грузов или орехокол.

В качестве рычагов третьего рода можно привести в пример рыбацкую удочку, пинцет или столовую вилку.

Нетрудно понять, что рычаги второго рода дают выигрыш в силе, а третьего рода — в пути.

Рычаг

Рыча́г — простейшее механическое устройство, представляющее собой твёрдое тело (перекладину), вращающееся вокруг точки опоры. Стороны перекладины по бокам от точки опоры называются плечами рычага.

Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече). Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие.

Частными случаями рычага являются также два других простейших механизма: ворот и блок.

Содержание

История

Человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Такие инструменты, как мотыга или весло, применялись, чтобы уменьшить силу, которую необходимо было прикладывать человеку. В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия. [1] [2] Позже, в Греции, был изобретён безмен, позволивший изменять плечо приложения силы, что сделало использование весов более удобным. Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф, прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой. [3]

Неизвестно, пытались ли мыслители тех времён объяснить принцип работы рычага. Первое письменное объяснение дал в III веке до н. э. Архимед, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит как: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы — это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки — это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры». По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!». [3]

В 1773 году Джеймс Уатт предложил идею составного рычага, состоящего из двух или нескольких связанных друг с другом рычагов, который можно было использовать для ещё большего увеличения усилия. Пример составного рычага, используемого в повседневной жизни, можно найти в щипчиках для ногтей. [3]

В современном мире принцип действия рычага используется повсеместно. Практически любой механизм, преобразующий механическое движение, в том или ином виде использует рычаги. Подъёмные краны, двигатели, плоскогубцы, ножницы, а также тысячи других механизмов и инструментов используют рычаги в своей конструкции.

Принцип действия

Принцип работы рычага является прямым следствием закона сохранения энергии. Чтобы переместить рычаг на расстояние сила, действующая со стороны груза, должна совершить работу равную:

.

Если посмотреть с другой стороны, сила, приложенная с другой стороны, должна совершать работу

,

где — это перемещение конца рычага, к которому приложена сила . Чтобы выполнялся закон сохранения энергии для замкнутой системы, работа действующей и противодействующей сил должны быть равны, то есть:

, .

По определению подобия треугольников, отношение перемещений двух концов рычага будет равно отношению его плеч:

, следовательно .

Учитывая, что произведение силы и расстояния является моментом силы, можно сформулировать принцип равновесия для рычага. Рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил (с учётом знака), приложенных к нему, равна нулю.

Для рычагов, как и для других механизмов, вводят характеристику, показывающую механический эффект, который можно получить за счёт рычага. Такой характеристикой является передаточное отношение, оно показывает, как соотносятся нагрузка и приложенная сила:

.

Составной рычаг

Составной рычаг представляет собой систему из двух и более простых рычагов, соединённых таким образом, что выходное усилие одного рычага является входным для следующего. Например, для системы из двух последовательно связанных рычагов, если на входное плечо первого рычага приложена сила , на другом конце этого рычага выходное усилие окажется , и связаны они будут с помощью передаточного отношения:

.

При этом на входное плечо второго рычага будет воздействовать такое же усилие , а выходным усилием второго рычага и всей системы будет , передаточное отношение второй ступени будет равно:

.

При этом механический эффект всей системы, то есть всего составного рычага, будет вычисляться как отношение входного и выходного усилия для всей системы, то есть:

.

Таким образом, передаточное отношение составного рычага, состоящего из двух простых будет равно произведению передаточных отношений входящих в него простых рычагов.

Такой же подход решения можно применять и для более сложной системы, состоящей, в общем случае из n рычагов. В этом случае в системе будет присутствовать 2n плеч. Передаточное отношение для такой системы будет вычисляться по формуле:

,

• — это i-ое плечо системы;
• — сила, передаваемая с плеча (i-1) на плечо i;
• — передаточное отношение всей системы.

Как видно из формулы для этого случая также верно, что передаточное отношение составного рычага равно произведению передаточных отношений входящих в него элементов.

Типы рычагов [4]

Различают рычаги 1 рода, в которых точка опоры располагается между точками приложения сил, и рычаги 2 рода, в которых точки приложения сил располагаются по одну сторону от опоры. Среди рычагов 2 рода выделяют рычаги 3 рода [5] , с точкой приложения «входящей» силы ближе к точке опоры, чем нагрузки, что даёт выигрыш в скорости и пути.

Примеры: рычаги первого рода — детские качели (перекладина), ножницы; рычаги второго рода — тачка (точка опоры — колесо), приподнимание предмета ломом движением вверх; рычаги третьего рода — задняя дверь или капот легковых автомобилей на газовых пружинах, подъём кузова самосвала (с гидроцилиндром в центре), движение мышцами рук и ног человека и животных.

См. также

Примечания

1. ↑ В. Н. Пипуныров. История весов и весовой промышленности в сравнительно-историческом освещении. М, 1955 г.
2. ↑История весов. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
3. ↑ 123Lever: World Invention Summary (англ.) . Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.Проверено 6 мая 2010.
4. ↑Типы рычагов в словаре Брокгауза и Эфрона
5. ↑http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6606/%D0%9C%D0%90%D0%A8%D0%98%D0%9D%D0%AB Типы рычагов в Энциклопедии Кольера

Литература

• О Рычагѣ// Физика. С-Пб, 1831 г.

	рычаг в Викисловаре ?
	Category:Levers на Викискладе ?

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Рычаг» в других словарях:

РЫЧАГ — РЫЧАГ, рычага, муж. 1. Стержень, который может вращаться вокруг точки опоры и служит для уравновешивания большей силы при помощи меньшей (физ., тех.). Плечо рычага. Поднять рычагом. Рычаг простейшая машина для подъема тяжестей. || Прибор в… … Толковый словарь Ушакова

РЫЧАГ — муж. (от рочить? рука?) рочаг южн., зап. жердь, шесть, для подъема тяжести, на упорной точке; подъем. Рычаг подводят под тяжесть, упирают во что, поближе к тому же концу, а за другой нагнетают его; или подводят глубже, упирают концом в землю,… … Толковый словарь Даля

рычаг — См. причина … Словарь синонимов

РЫЧАГ — РЫЧАГ, простая МАШИНА, используемая для увеличения силы, прикладываемой к объекту. Обычно используют для поднятия тяжелых грузов. Рычаг состоит из стержня и опоры (см. ТОЧКА ОПОРЫ), вокруг которой вращается стержень. Например, в аншпуге место… … Научно-технический энциклопедический словарь

РЫЧАГ — простейший механизм, служащий для уравновешивания большей силы Рх меньшей Р2; представляет собой твёрдое тело, вращающееся вокруг некоторой оси (неподвижной опоры). Если опора располагается между точками приложения сил и силы параллельны… … Большая политехническая энциклопедия

РЫЧАГ — простейший механизм, позволяющий меньшей силой уравновесить большую; представляет собой тв. тело, вращающееся вокруг неподвижной опоры. Основное св во Р. (любой формы) выражается равенством Ph1=Qh2 (.рис.), где Р и Q приложенные силы, h1 и h2… … Физическая энциклопедия

РЫЧАГ — РЫЧАГ, а, муж. 1. Устройство, имеющее точку опоры и служащее для уравновешивания большей силы при помощи меньшей, а также для совершения какой н. работы. Поднять рычагом. Плечо рычага. Рычаги управления. 2. перен. Средство, к рым можно возбудить… … Толковый словарь Ожегова

РЫЧАГ — (сев.) 1. Море между плавучими льдинами. 2. Плавучий лед, отставший от станового тороса. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь

РЫЧАГ — РЫЧАГ, одна из т. н. простых машин, представляющая жесткий стержень, к которому могут быть приложены силы в трех точках, расположенных вдоль его оси. Если одну из трех сил удобно рассматривать как реакцию ©поры, возникающую по закону… … Большая медицинская энциклопедия

рычаг — плечо рычага — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы плечо рычага EN lever … Справочник технического переводчика