De mensheid gebruikt al lang eenvoudige machines en mechanismen om fysieke arbeid gemakkelijker en eenvoudiger te maken. Een van deze mechanismen is de hefboom. Wat is een hefboom in de natuurkunde, welke formule beschrijft de balans en welke soorten hefbomen zijn - al deze vragen worden onthuld in het artikel.
Concept
Een hefboom in de natuurkunde is een mechanisme dat bestaat uit een balk of plank en één steun. De steun verdeelt de balk over het algemeen in twee ongelijke delen, die hefboomarmen worden genoemd. Deze laatste kan een roterende beweging rond het draaipunt uitvoeren.
Omdat het een eenvoudig mechanisme is, is de hendel ontworpen om fysiek werk uit te voeren met winst in kracht of tijdens transport. De uitgeoefende krachten werken tijdens de werking op de armen van de hefboom. Een daarvan is de kracht van verzet. Het wordt gecreëerd door het gewicht van de last die moet worden verplaatst (opgeheven). De tweede kracht is een externe kracht, die in de meeste gevallen met behulp van mensenhanden op de hefboomarm wordt uitgeoefend.
De afbeelding hierboven toont een typische hendel mettwee schouders. Later in het artikel zal worden uitgelegd waarom het verwijst naar hefboomwerking van de tweede soort.
De hefboomregel ziet er als volgt uit:
ForceForceer arm=BelastingLaadarm
Moment van kracht
Laten we wat afdwalen van het thema van de hefboom in de natuurkunde en een belangrijke fysieke hoeveelheid beschouwen om de werking ervan te begrijpen. Het gaat om het moment van kracht. Het is het product van de kracht en de lengte van de arm waarop het wordt uitgeoefend, dat wiskundig als volgt wordt geschreven:
M=Fd
Het is belangrijk om de arm van de kracht d en de arm van de hendel niet te verwarren, in het algemeen zijn dit verschillende concepten.
Het krachtmoment toont het vermogen van de laatste om een bocht in het systeem te maken. Veel mensen weten dus dat het veel gemakkelijker is om de deur aan de handgreep te openen dan om hem dicht bij de scharnieren te duwen, of het is gemakkelijker om de moer op de bout los te draaien met een lange sleutel dan met een korte.
Moment van kracht is een vector. Om de werking van een eenvoudig hefboommechanisme in de natuurkunde te begrijpen, volstaat het te weten dat het moment als positief wordt beschouwd als de kracht de neiging heeft om de hefboomarm tegen de klok in te draaien. Als het de neiging heeft om met de klok mee te draaien, moet het moment met een minteken worden genomen.
Hendelbalans in de natuurkunde
Beschouw de volgende afbeelding om het gemakkelijker te maken te begrijpen onder welke omstandigheden de hendel in balans zal zijn.
Hier worden twee krachten weergegeven: een belasting R en een externe kracht F die wordt toegepast om dit te overwinnenladingen. De armen van deze krachten zijn respectievelijk gelijk aan dR en dF. In feite is er nog een andere kracht - de reactie van de steun, die verticaal naar boven werkt op het contactpunt tussen de balk en de steun van de hefboom. Aangezien de schouder van deze kracht gelijk is aan nul, wordt deze niet verder beschouwd bij het bepalen van de evenwichtstoestand.
Volgens de statistiek is de rotatie van het systeem onmogelijk als de som van de momenten van externe krachten gelijk is aan nul. Laten we de som van deze momenten opschrijven, rekening houdend met hun teken:
RdR- FdF=0.
De geschreven gelijkheid weerspiegelt de voldoende evenwichtsvoorwaarde voor de hefboom. Als er niet twee krachten op de hefboom werken, maar meer, dan blijft deze toestand bestaan. Alleen in plaats van de som van twee krachtmomenten, zal het nodig zijn om de som van alle momenten van de werkende krachten te vinden en ze gelijk te stellen aan nul.
De overwinning is sterk en onderweg
De uitdrukking voor de momenten van hefboomkrachten in de natuurkunde, die in de vorige paragraaf is geschreven, zal in de volgende vorm worden herschreven:
RdR=FdF
Uit de bovenstaande formule volgt:
dR / dF=V / R.
Deze gelijkheid zegt dat om het evenwicht te bewaren, het nodig is dat de kracht F even vaak groter is dan het gewicht van de last R, hoeveel keer de arm dF minder dan de arm d R. Omdat de grotere arm tijdens het bewegen van de hendel een langere weg aflegt dan de kleinere arm, krijgen we de mogelijkheid om hetzelfde werk op twee manieren met de hendel uit te voeren:
- oefen meer kracht F uit en beweeg de schouder naarkorte afstand;
- oefen een kleine kracht F uit en beweeg de schouder over een lange afstand.
In het eerste geval spreekt men van een winst op de weg bij het verplaatsen van de last R, in het tweede geval verkrijgt men een winst in kracht, aangezien F < R.
Waar wordt hefboomwerking gebruikt en wat zijn ze?
Afhankelijk van het aangrijpingspunt van de hefboomkrachten in de natuurkunde en van de positie van de steun, kan het eenvoudigste mechanisme van drie typen zijn:
- Dit is een tweearmige hefboom, waarbij de steunpositie gelijkmatig is verwijderd van beide uiteinden van de balk. Afhankelijk van de verhouding van de lengtes van de armen, kun je met dit type hefboom zowel in de weg als in kracht winnen. Voorbeelden van gebruik zijn een weegschaal, tang, schaar, een spijkertrekker, een babyschommel.
- De hefboom van de tweede soort is eenarmig, dat wil zeggen, de steun bevindt zich nabij een van de uiteinden. In dit geval wordt de externe kracht uitgeoefend op het andere uiteinde van de balk, en de belastingskracht werkt tussen de steun en de externe kracht, waardoor u in deze kracht kunt winnen. Een kruiwagen of een notenkraker zijn uitstekende voorbeelden van dit soort hefboomwerking.
- Het derde type mechanisme wordt weergegeven door voorbeelden zoals een hengel of een pincet. Deze hefboom is ook eenarmig, maar de extern uitgeoefende kracht is al dichter bij de steun dan het aangrijpingspunt van de last. Met dit ontwerp van een eenvoudig mechanisme kun je op de weg winnen, maar aan kracht verliezen. Daarom is het moeilijk om een kleine vis op het gewicht aan het uiteinde van een hengel of een zwaar voorwerp met een pincet vast te houden.
Om te herhalen, een hefboom in de natuurkunde staat alleen toehet gemakkelijk maken om dit of dat werk van het verplaatsen van goederen uit te voeren, maar je kunt niet winnen in dit werk.
