Gleichgewicht ist in der Physik ein Zustand des Systems, in dem es sich in relativer Ruhe zu den umgebenden Objekten befindet. Statik ist die Lehre von Gleichgewichtszuständen. Einer der Mechanismen, für dessen Funktion die Kenntnis der Gleichgewichtsbedingungen von grundlegender Bedeutung ist, ist der Hebel. Überlegen Sie im Artikel, welche Arten von Hebelwirkung es gibt.
Was ist das in der Physik?
Bevor wir über die Arten von Hebeln sprechen (in Physik reicht die 7. Klasse dieses Thema), lasst uns dieses Gerät definieren. Ein Hebel ist ein einfacher Mechanismus, mit dem Sie Kraft in Weg und umgekehrt umwandeln können. Der Hebel hat eine einfache Vorrichtung, er besteht aus einem Balken (Brett, Stange) mit einer bestimmten Länge und einer Stütze. Die Position der Stütze ist nicht festgelegt, sodass sie sich sowohl in der Mitte des Balkens als auch an seinem Ende befinden kann. Wir stellen gleich fest, dass die Position der Stütze im Allgemeinen die Art des Hebels bestimmt.
Letzteres wird seit Urzeiten vom Menschen verwendet. So ist bekannt, dass sie im alten Mesopotamien oder in Ägypten mit seiner Hilfe Wasser aus Flüssen gehoben oder riesige Steine bewegt habenBau verschiedener Bauwerke. Benutzte den Hebel aktiv im antiken Griechenland. Der einzige schriftliche Beweis für die Verwendung dieses einfachen Mechanismus ist Plutarchs "Parallel Lives", wo der Philosoph ein Beispiel für die Verwendung des Systems von Blöcken und Hebeln von Archimedes gibt.
Das Konzept des Drehmoments
Das Funktionsprinzip verschiedener Arten von Hebeln in der Physik zu verstehen, ist möglich, wenn Sie sich mit der Frage des Gleichgewichts des betrachteten Mechanismus befassen, der eng mit dem Konzept des Kraftmoments verbunden ist.
Das Kraftmoment ist der Wert, den man erhält, wenn man die Kraft mit dem Abstand vom Angriffspunkt zur Rotationsachse multipliziert. Dieser Abstand wird als „Schulter der Kraft“bezeichnet. Lassen Sie uns F und d bezeichnen - die Kraft bzw. ihre Schulter, dann erh alten wir:
M=Fd
Das Kraftmoment verleiht dem gesamten System die Fähigkeit, sich um diese Achse zu drehen. Anschauliche Beispiele, bei denen Sie das Moment der Kraftwirkung beobachten können, sind das Lösen einer Mutter mit einem Schraubenschlüssel oder das Öffnen einer Tür mit einem Griff, der weit von den Türscharnieren entfernt ist.
Drehmoment ist eine Vektorgröße. Bei der Lösung von Problemen muss man oft sein Vorzeichen berücksichtigen. Es sei daran erinnert, dass jede Kraft, die das Körpersystem gegen den Uhrzeigersinn dreht, ein Kraftmoment mit dem Vorzeichen + erzeugt.
Hebelwaage
Die obige Abbildung zeigt einen typischen Hebel und die darauf wirkenden Kräfte sind markiert. Später in diesem Artikel wird gesagt, dass es -Hebelwirkung erster Art. Hier bezeichnen die Buchstaben F und R eine äußere Kraft bzw. ein bestimmtes Gewicht der Last. Sie können auch sehen, dass die Stütze von der Mitte versetzt ist, sodass die Längen der Arme dF und dR nicht gleich lang sind.
In der Statik zeigt sich, dass sich der Hebel nicht als ganze Mechanik bewegt, die Summe aller auf ihn einwirkenden Kräfte muss gleich Null sein. Wir haben nur zwei von ihnen notiert. Tatsächlich gibt es noch eine dritte, die diesen beiden entgegengesetzt und gleich ihrer Summe ist – dies ist die Unterstützungsreaktion.
Damit der Hebel keine Drehbewegungen ausführt, muss die Summe aller Kraftmomente gleich Null sein. Die Schulter der Reaktionskraft des Trägers ist Null, es entsteht also kein Moment. Es bleibt, die Momente der Kräfte F und R aufzuschreiben:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Aufgezeichnete Hebelgleichgewichtsbedingung als Formel, auch angegeben:
dR/dF=F/R
Diese Gleichheit bedeutet, dass, damit sich der Hebel nicht dreht, die äußere Kraft so oft größer (kleiner) sein muss als das Gewicht der zu hebenden Last, wie oft der Arm dieser Kraft kleiner ist (größer) als der Arm, auf den das Gewicht last wirkt.
Die gegebene Formulierung bedeutet, dass wir genauso viel Kraft verlieren, wie oft wir unterwegs mit Hilfe des betrachteten Mechanismus gewinnen.
Hebel erster Art
Es wurde im vorherigen Absatz gezeigt. Wir sagen hier nur, dass bei einem solchen Hebel die Abstützung zwischen den wirkenden Kräften F und R liegt. Je nach Verhältnis der Armlängen kann ein solcher Hebelsowohl zum Heben von Gewichten als auch zum Geben der Körperbeschleunigung verwendet werden.
Mechanische Waagen, Scheren, ein Nagelzieher, ein Katapult sind Beispiele für Hebel der ersten Art.
Im Falle einer Balance haben wir zwei gleich lange Arme, sodass die Balance des Hebels nur erreicht wird, wenn die Kräfte F und R gleich groß sind. Diese Tatsache wird genutzt, um Körper mit unbekannter Masse zu wiegen, indem sie mit einem Referenzwert verglichen wird.
Schere und Nagelzieher sind Paradebeispiele dafür, wie man Kraft gewinnt, aber dabei verliert. Jeder weiß, je näher an der Scherenachse ein Blatt Papier liegt, desto leichter lässt es sich schneiden. Im Gegenteil, wenn Sie versuchen, Papier mit den Spitzen einer Schere zu schneiden, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie anfangen, es zu "kauen". Je länger der Griff der Schere oder des Nagelziehers ist, desto einfacher lässt sich die entsprechende Operation durchführen.
Was das Katapult betrifft, so ist dies ein anschauliches Beispiel dafür, wie man mit Hilfe eines Hebels auf dem Weg gewinnt, und daher in der Beschleunigung, die seine Schulter dem Projektil verleiht.
Hebel zweiter Art
Bei allen Hebeln der zweiten Art befindet sich die Stütze in der Nähe eines der Enden des Balkens. Diese Anordnung führt dazu, dass am Hebel nur eine Schulter vorhanden ist. In diesem Fall befindet sich das Gewicht der Last immer zwischen der Stütze und der äußeren Kraft F. Die Anordnung der Kräfte im Hebel zweiter Art führt zu dem einzig brauchbaren Ergebnis: Kraftzuwachs.
Beispiele für diese Art der Hebelwirkung sind die Schubkarre, mit der schwere Lasten transportiert werden, und der Nussknacker. In beiden Fällen hat der Verlust auf dem Weg keinen negativen Wert. Also im manuellen FallSchubkarren, ist es nur wichtig, die Last während der Fahrt auf dem Gewicht zu h alten. In diesem Fall ist die aufgebrachte Kraft um ein Vielfaches geringer als das Gewicht der Last.
Hebel dritter Art
Das Design dieses Hebeltyps ähnelt in vielerlei Hinsicht dem vorherigen. Die Stütze befindet sich in diesem Fall ebenfalls an einem der Enden des Balkens, und der Hebel hat einen einzigen Arm. Allerdings ist der Ort der wirkenden Kräfte bei ihm ein völlig anderer als bei einem Hebel zweiter Art. Der Angriffspunkt der Kraft F liegt zwischen dem Gewicht der Last und dem Auflager.
Schaufel, Barriere, Angelrute und Pinzette sind markante Beispiele für diese Art von Hebelwirkung. In all diesen Fällen gewinnen wir auf dem Weg, aber es gibt einen erheblichen Kraftverlust. Um beispielsweise eine schwere Last mit einer Pinzette zu h alten, müssen Sie eine große Kraft F aufbringen, sodass die Verwendung dieses Werkzeugs nicht bedeutet, schwere Gegenstände damit zu h alten.
Abschließend stellen wir fest, dass alle Arten von Hebeln nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Sie bringen keinen Gewinn für die Arbeit des Warentransports, sondern ermöglichen Ihnen nur, diese Arbeit in Richtung einer bequemeren Implementierung umzuverteilen.
