Equilibrium in physics is een toestand van het systeem, waarin het in relatieve rust is ten opzichte van de omringende objecten. Statica is de studie van evenwichtsomstandigheden. Een van de mechanismen, waarvan kennis van de evenwichtscondities voor de werking van fundamenteel belang is, is de hefboom. Overweeg in het artikel welke soorten hefboomwerking zijn.
Wat is het in natuurkunde?
Voordat we het hebben over de soorten hendels (in de natuurkunde voldoet klas 7 dit onderwerp), laten we dit apparaat definiëren. Een hefboom is een eenvoudig mechanisme waarmee je kracht kunt omzetten in afstand en vice versa. De hendel heeft een eenvoudig apparaat, het bestaat uit een balk (plank, staaf), die een bepaalde lengte heeft, en één steun. De positie van de steun is niet vast, dus deze kan zowel in het midden van de balk als aan het uiteinde worden geplaatst. We merken meteen op dat de positie van de steun over het algemeen het type hendel bepa alt.
De laatste wordt al sinds mensenheugenis door de mens gebruikt. Het is dus bekend dat ze in het oude Mesopotamië of in Egypte, met behulp hiervan, water uit rivieren haalden of enorme stenen verplaatsten tijdensbouwen van verschillende constructies. De hefboom actief gebruikt in het oude Griekenland. Het enige schriftelijke bewijs dat bewaard is gebleven van het gebruik van dit eenvoudige mechanisme is Plutarchus "Parallelle levens", waarin de filosoof een voorbeeld geeft van het gebruik van het systeem van blokken en hefbomen door Archimedes.
Het concept van koppel
Het principe van de werking van verschillende soorten hefbomen in de natuurkunde begrijpen is mogelijk als je de kwestie van het evenwicht van het betreffende mechanisme bestudeert, dat nauw verband houdt met het concept van het krachtmoment.
Het krachtmoment is de waarde die wordt verkregen door de kracht te vermenigvuldigen met de afstand van het punt van toepassing tot de rotatie-as. Deze afstand wordt de "schouder van de kracht" genoemd. Laten we F en d aanduiden - respectievelijk de kracht en zijn schouder, dan krijgen we:
M=Fd
Het krachtmoment biedt de mogelijkheid om rond deze as van het hele systeem te draaien. Levendige voorbeelden waarin je het moment van kracht in actie kunt observeren, zijn het losdraaien van een moer met een sleutel of het openen van een deur met een hendel die ver van de deurscharnieren verwijderd is.
Torque is een vectorgrootheid. Bij het oplossen van problemen moet men vaak rekening houden met het teken ervan. Er moet aan worden herinnerd dat elke kracht die ervoor zorgt dat het systeem van lichamen tegen de klok in draait, een krachtmoment creëert met het teken +.
Hendelbalans
De bovenstaande afbeelding toont een typische hefboom en de krachten die erop werken zijn gemarkeerd. Later in het artikel zal worden gezegd dat het -hefboomwerking van de eerste soort. Hier duiden de letters F en R respectievelijk een externe kracht en een bepaald gewicht van de last aan. Je kunt ook zien dat de steun versprongen is vanuit het midden, dus de lengtes van de armen dF en dR zijn niet gelijk aan elkaar.
In statica wordt aangetoond dat de hefboom niet als geheel mechanisme beweegt, de som van alle krachten die erop werken moet gelijk zijn aan nul. We hebben er slechts twee opgemerkt. In feite is er ook een derde, die tegenovergesteld is aan deze twee en gelijk is aan hun som - dit is de ondersteuningsreactie.
Om ervoor te zorgen dat de hendel geen rotatiebewegingen maakt, is het noodzakelijk dat de som van alle krachtmomenten gelijk is aan nul. De schouder van de reactiekracht van de steun is nul, dus er ontstaat geen moment. Rest nog om de momenten van krachten F en R op te schrijven:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Geregistreerde hefboomevenwichtstoestand als formule, ook gegeven:
dR/dF=F/R
Deze gelijkheid betekent dat om ervoor te zorgen dat de hendel niet draait, de externe kracht net zo veel (minder) groter moet zijn dan het gewicht van de te hijsen last, hoeveel keer de arm van deze kracht minder is (groter) dan de arm waarop het gewicht vracht drukt.
De gegeven bewoording betekent dat hoe vaak we onderweg winnen met behulp van het betreffende mechanisme, we hetzelfde bedrag aan kracht verliezen.
Hendel van de eerste soort
Het werd in de vorige paragraaf getoond. Hier zeggen we gewoon dat voor een hefboom van dit type de steun zich tussen de werkende krachten F en R bevindt. Afhankelijk van de verhouding van de lengtes van de armen, kan zo'n hefboomkan zowel worden gebruikt voor het heffen van gewichten als voor het geven van versnelling aan het lichaam.
Mechanische weegschalen, scharen, een spijkertrekker, een katapult zijn voorbeelden van hefbomen van de eerste soort.
In het geval van een balans hebben we twee armen van dezelfde lengte, dus de balans van de hefboom wordt alleen bereikt als de krachten F en R gelijk aan elkaar zijn. Dit feit wordt gebruikt om lichamen met onbekende massa te wegen door deze te vergelijken met een referentiewaarde.
Een schaar en een spijkertrekker zijn uitstekende voorbeelden van kracht winnen maar gaandeweg verliezen. Iedereen weet dat hoe dichter bij de as van de schaar een vel papier wordt gelegd, hoe gemakkelijker het is om het te knippen. Integendeel, als u papier probeert te knippen met de punten van een schaar, is de kans groot dat ze het gaan "kauwen". Hoe langer het handvat van de schaar of spijkertrekker, hoe gemakkelijker het is om de bijbehorende handeling uit te voeren.
Wat de katapult betreft, dit is een levendig voorbeeld van winst met behulp van een hefboom onderweg, en dus in de versnelling die zijn schouder aan het projectiel geeft.
Hendel van de tweede soort
Bij alle hefbomen van de tweede soort bevindt de steun zich nabij een van de uiteinden van de balk. Deze opstelling leidt tot de aanwezigheid van slechts één schouder bij de hendel. In dit geval bevindt het gewicht van de last zich altijd tussen de steun en de externe kracht F. De rangschikking van krachten in de hefboom van de tweede soort leidt tot het enige bruikbare resultaat: krachttoename.
Voorbeelden van dit type hefboomwerking zijn de kruiwagen, die wordt gebruikt om zware lasten te vervoeren, en de notenkraker. In beide gevallen heeft het verlies onderweg geen negatieve waarde. Dus, in het geval van handmatigkruiwagens, is het alleen belangrijk om de last op gewicht te houden tijdens het rijden. In dit geval is de uitgeoefende kracht meerdere malen kleiner dan het gewicht van de last.
Hendel van de derde soort
Het ontwerp van dit type hendel is in veel opzichten vergelijkbaar met het vorige. De steun bevindt zich in dit geval ook aan een van de uiteinden van de balk en de hendel heeft een enkele arm. De plaats van de werkende krachten daarin is echter totaal anders dan in een hefboom van de tweede soort. Het aangrijpingspunt van kracht F ligt tussen het gewicht van de last en de steun.
Schop, barrière, hengel en pincet zijn sprekende voorbeelden van dit soort hefboomwerking. In al deze gevallen winnen we onderweg, maar er is een aanzienlijk verlies aan kracht. Om bijvoorbeeld een zware last met een pincet vast te houden, moet je een grote kracht F uitoefenen, dus het gebruik van dit gereedschap betekent niet dat je er zware voorwerpen mee vasthoudt.
Tot slot merken we op dat alle soorten hendels volgens hetzelfde principe werken. Ze leveren geen winst op bij het verplaatsen van goederen, maar laten u alleen toe om dit werk te herverdelen in de richting van een gemakkelijkere implementatie.
