Die Menschheit verwendet seit langem einfache Maschinen und Mechanismen, um körperliche Arbeit leichter und einfacher zu machen. Einer dieser Mechanismen ist der Hebel. Was ist ein Hebel in der Physik, welche Formel beschreibt sein Gleichgewicht und welche Arten von Hebeln gibt es? All diese Fragen werden im Artikel aufgedeckt.
Konzept
Ein Hebel in der Physik ist ein Mechanismus, der aus einem Balken oder Brett und einer Stütze besteht. Die Stütze teilt den Balken im Allgemeinen in zwei ungleiche Teile, die als Hebelarme bezeichnet werden. Letzterer kann eine Drehbewegung um den Drehpunkt ausführen.
Da es sich um einen einfachen Mechanismus handelt, ist der Hebel so konzipiert, dass er körperliche Arbeit mit Kraft- oder Transitgewinn verrichtet. Die aufgebrachten Kräfte wirken während seiner Betätigung auf die Arme des Hebels. Eine davon ist die Kraft des Widerstands. Sie entsteht durch das Gewicht der zu bewegenden (anzuhebenden) Last. Die zweite Kraft ist eine äußere Kraft, die in den meisten Fällen mit Hilfe menschlicher Hände auf den Hebelarm aufgebracht wird.
Das obige Bild zeigt einen typischen Hebel mitzwei Schultern. Später im Artikel wird erklärt, warum es sich um eine Hebelwirkung der zweiten Art handelt.
Die Hebelregel sieht so aus:
ForceForce arm=LoadLoad arm
Kraftmoment
Lassen Sie uns einen Exkurs vom Thema des Hebels in der Physik machen und eine wichtige physikalische Größe zum Verständnis seiner Funktionsweise betrachten. Es geht um das Moment der Kraft. Sie ist das Produkt aus der Kraft und der Länge des Armes ihrer Anwendung, die mathematisch wie folgt geschrieben wird:
M=Fd
Es ist wichtig, den Arm der Kraft d und den Arm des Hebels nicht zu verwechseln, im Allgemeinen sind dies unterschiedliche Konzepte.
Das Moment der Kraft zeigt die Fähigkeit des letzteren, eine Wendung im System zu machen. Viele Menschen wissen also, dass es viel einfacher ist, die Tür am Griff zu öffnen, als sie in die Nähe der Scharniere zu drücken, oder dass es einfacher ist, die Mutter auf dem Bolzen mit einem langen Schlüssel zu lösen als mit einem kurzen.
Kraftmoment ist ein Vektor. Um die Funktionsweise eines einfachen Hebelmechanismus in der Physik zu verstehen, genügt es zu wissen, dass das Moment als positiv angesehen wird, wenn die Kraft dazu neigt, den Hebelarm gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Wenn es dazu neigt, sich im Uhrzeigersinn zu drehen, sollte der Moment mit einem Minuszeichen genommen werden.
Hebelgleichgewicht in der Physik
Um besser verständlich zu machen, unter welchen Bedingungen der Hebel im Gleichgewicht ist, betrachten Sie die folgende Abbildung.
Hier sind zwei Kräfte dargestellt: eine Last R und eine äußere Kraft F, die aufgebracht wird, um diese zu überwindenLadungen. Die Arme dieser Streitkräfte sind gleich dR bzw. dF. Tatsächlich gibt es eine andere Kraft – die Reaktion der Stütze, die am Kontaktpunkt zwischen dem Balken und der Stütze des Hebels vertikal nach oben wirkt. Da die Schulter dieser Kraft gleich Null ist, wird sie bei der Bestimmung der Gleichgewichtsbedingung nicht weiter berücksichtigt.
Nach der Statik ist die Drehung des Systems unmöglich, wenn die Summe der Momente äußerer Kräfte gleich Null ist. Schreiben wir die Summe dieser Momente unter Berücksichtigung ihres Vorzeichens:
RdR- FdF=0.
Die geschriebene Gleichheit spiegelt die hinreichende Gleichgewichtsbedingung für den Hebel wider. Wirken nicht zwei Kräfte auf den Hebel, sondern mehr, so bleibt dieser Zustand bestehen. Nur anstelle der Summe zweier Kraftmomente muss die Summe aller Momente der wirkenden Kräfte ermittelt und mit Null gleichgesetzt werden.
Der Sieg ist stark und auf dem Weg
Der Ausdruck für die Momente der Hebelkräfte in der Physik, der im vorherigen Absatz geschrieben wurde, wird in die folgende Form umgeschrieben:
RdR=FdF
Aus obiger Formel folgt:
dR / dF=F / R.
Diese Gleichheit besagt, dass zur Aufrechterh altung des Gleichgewichts die Kraft F so oft größer sein muss wie das Gewicht der Last R, wie oft ihr Arm dF kleiner als der Arm d R. Da der größere Arm beim Bewegen des Hebels einen längeren Weg zurücklegt als der kleinere Arm, haben wir die Möglichkeit, die gleiche Arbeit mit dem Hebel auf zwei Arten zu verrichten:
- mehr Kraft F aufbringen und die Schulter zu bewegenkurze Distanz;
- wende eine kleine Kraft F an und bewege die Schulter über eine lange Distanz.
Im ersten Fall spricht man von einem Weggewinn beim Bewegen der Last R, im zweiten Fall von einem Kraftgewinn, da F < R.
Wo wird Leverage eingesetzt und was sind sie?
Je nach dem Angriffspunkt der Hebelkräfte in der Physik und der Position der Stütze kann der einfachste Mechanismus dreierlei sein:
- Dies ist ein zweiarmiger Hebel, bei dem die Stützposition gleichmäßig von beiden Enden des Balkens entfernt ist. Abhängig vom Verhältnis der Armlängen können Sie mit dieser Art von Hebel sowohl in der Art als auch in der Stärke gewinnen. Beispiele für seine Verwendung sind Waagen, Zangen, Scheren, ein Nagelzieher, eine Babyschaukel.
- Der Hebel der zweiten Art ist einarmig, das heißt, die Stütze befindet sich in der Nähe eines seiner Enden. In diesem Fall wird die äußere Kraft auf das andere Ende des Balkens ausgeübt, und die Belastungskraft wirkt zwischen der Stütze und der äußeren Kraft, wodurch Sie genau diese Kraft gewinnen können. Eine Schubkarre oder ein Nussknacker sind Paradebeispiele für diese Art von Hebelwirkung.
- Die dritte Art von Mechanismus wird durch Beispiele wie eine Angelrute oder eine Pinzette dargestellt. Auch dieser Hebel ist einarmig, jedoch ist die von außen aufgebrachte Kraft bereits näher am Auflager als am Angriffspunkt der Last. Dieses Design eines einfachen Mechanismus ermöglicht es Ihnen, auf der Straße zu gewinnen, aber an Kraft zu verlieren. Deshalb ist es schwierig, einen kleinen Fisch auf dem Gewicht am Ende einer Angelrute oder einen schweren Gegenstand mit einer Pinzette zu h alten.
Um es noch einmal zu wiederholen, ein Hebel in der Physik erlaubt nurmacht es bequem, diese oder jene Arbeit des Warentransports auszuführen, erlaubt Ihnen aber nicht, bei dieser Arbeit zu gewinnen.
