Jak działa dźwignia i co może zrobić?

Neil Beckerman/Getty Images

Dźwignie są wszędzie wokół nas i wewnątrz nas, ponieważ podstawowe fizyczne zasady dźwigni pozwalają naszym ścięgnom i mięśniom poruszać kończynami. Wewnątrz ciała kości działają jak belki, a stawy jak punkty podparcia.

Według legendy Archimedes (287-212 p.n.e.) powiedział kiedyś: „Daj mi miejsce do stania, a poruszę nim Ziemię”, kiedy odkrył fizyczne zasady działania dźwigni. Chociaż potrzeba by cholernie długiej dźwigni, by faktycznie poruszyć światem, stwierdzenie to jest poprawne jako świadectwo sposobu, w jaki może zapewnić mechaniczną przewagę. Słynny cytat przypisywany jest Archimedesowi przez późniejszego pisarza, Pappusa z Aleksandrii. Jest prawdopodobne, że Archimedes nigdy tego nie powiedział. Jednak fizyka dźwigni jest bardzo dokładna.

Jak działają dźwignie? Jakie są zasady rządzące ich ruchami?

Jak działają dźwignie?

Dźwignia to prosta maszyna który składa się z dwóch komponentów materiałowych i dwóch komponentów roboczych:

• Belka lub pręt lity
• Punkt podparcia lub punkt obrotu
• Siła wejściowa (lub wysiłek )
• Siła wyjściowa (lub Załaduj lub opór )

Belka jest umieszczona tak, że pewna jej część opiera się o punkt podparcia. W tradycyjnej dźwigni punkt podparcia pozostaje nieruchomy, podczas gdy siła jest przykładana gdzieś wzdłuż belki. Wiązka następnie obraca się wokół punktu podparcia, wywierając siłę wyjściową na jakiś przedmiot, który należy przesunąć.

Starożytnemu greckiemu matematykowi i wczesnemu naukowcowi Archimedesowi zazwyczaj przypisuje się to, że jako pierwszy odkrył fizyczne zasady rządzące zachowaniem dźwigni, które wyraził w kategoriach matematycznych.

Kluczowe pojęcia działające w dźwigni polegają na tym, że skoro jest to solidna belka, to suma moment obrotowy na jednym końcu dźwigni będzie manifestował się jako równoważny moment obrotowy na drugim końcu. Zanim zaczniemy interpretować to jako ogólną zasadę, spójrzmy na konkretny przykład.

Balansowanie na dźwigni

Wyobraź sobie dwie masy balansujące na belce w punkcie podparcia. W tej sytuacji widzimy, że istnieją cztery kluczowe wielkości, które można zmierzyć (są one również pokazane na rysunku):

• M ₁- masa na jednym końcu punktu podparcia (siła wejściowa)
• a - Odległość od punktu podparcia do M ₁
• M _dwa- masa na drugim końcu punktu podparcia (siła wyjściowa)
• b - Odległość od punktu podparcia do M _dwa

Ta podstawowa sytuacja wyjaśnia relacje między tymi różnymi wielkościami. Należy zauważyć, że jest to wyidealizowana dźwignia, więc rozważamy sytuację, w której nie ma absolutnie żadnego tarcia między belką a punktem podparcia i że nie ma innych sił, które mogłyby wytrącić równowagę z równowagi, jak bryza .

Ta konfiguracja jest najbardziej znana od podstaw waga , używany w historii do ważenia obiektów. Jeśli odległości od punktu podparcia są takie same (wyrażone matematycznie jako a = b ) wtedy dźwignia wyważy się, jeśli ciężary są takie same ( M ₁= M _dwa). Jeśli używasz znanych ciężarków na jednym końcu wagi, możesz łatwo określić ciężar na drugim końcu wagi, gdy dźwignia się wyrównoważy.

Sytuacja robi się o wiele ciekawsza, oczywiście, gdy a nie równa się b . W tej sytuacji Archimedes odkrył, że istnieje dokładna matematyczna zależność – w rzeczywistości równoważność – między iloczynem masy a odległością po obu stronach dźwigni:

M ₁ a = M _dwa b

Korzystając z tego wzoru, widzimy, że jeśli podwoimy odległość po jednej stronie dźwigni, potrzeba o połowę mniej masy, aby ją zrównoważyć, na przykład:

a = 2 b
M ₁ a = M _dwa b
M ₁(dwa b ) = M _dwa b
dwa M ₁= M _dwa
M ₁= 0,5 M _dwa

Ten przykład został oparty na idei mas siedzących na dźwigni, ale masa może być zastąpione przez wszystko, co wywiera fizyczną siłę na dźwignię, w tym pchającą na nią ludzką rękę. To daje nam podstawowe zrozumienie potencjalnej mocy dźwigni. Jeśli 0,5 M _dwa= 1000 funtów, wtedy staje się jasne, że można to zrównoważyć 500-funtowym ciężarem po drugiej stronie, podwajając odległość dźwigni po tej stronie. Jeśli a = 4 b , możesz zrównoważyć 1000 funtów przy zaledwie 250 funtach siły.

W tym miejscu termin „dźwignia” ma swoją powszechną definicję, często stosowaną daleko poza sferą fizyki: użycie stosunkowo mniejszej siły (często w postaci pieniędzy lub wpływów) w celu uzyskania nieproporcjonalnie większej przewagi na wynik.

Rodzaje dźwigni

Używając dźwigni do wykonywania pracy, skupiamy się nie na masach, ale na idei wywierania wkładu zmuszać na dźwigni (tzw. wysiłek ) i uzyskanie siły wyjściowej (zwanej ładunek lub opór ). Na przykład, gdy używasz łomu do podważania gwoździa, wywierasz siłę, aby wytworzyć siłę oporu wyjściowego, która powoduje wyciągnięcie gwoździa.

Cztery elementy dźwigni można łączyć ze sobą na trzy podstawowe sposoby, w wyniku czego powstają trzy klasy dźwigni:

• Dźwignie klasy 1: Podobnie jak w przypadku wag omówionych powyżej, jest to konfiguracja, w której punkt podparcia znajduje się pomiędzy siłami wejściowymi i wyjściowymi.
• Dźwignie klasy 2: Opór znajduje się między siłą wejściową a punktem podparcia, na przykład w taczce lub otwieraczu do butelek.
• Dźwignie klasy 3 : Punkt podparcia znajduje się na jednym końcu, a opór na drugim, z wysiłkiem pomiędzy nimi, na przykład za pomocą pęsety.

Każda z tych różnych konfiguracji ma inne konsekwencje dla mechanicznej przewagi zapewnianej przez dźwignię. Zrozumienie tego wymaga złamania „prawa dźwigni”, które po raz pierwszy zostało formalnie zrozumiane przez Archimedesa .

Prawo dźwigni

Podstawową zasadą matematyczną dźwigni jest to, że odległość od punktu podparcia może być wykorzystana do określenia, w jaki sposób siły wejściowe i wyjściowe odnoszą się do siebie. Jeśli weźmiemy wcześniejsze równanie na wyważanie mas na dźwigni i uogólnimy je na siłę wejściową ( F_i ) i siła wyjściowa ( F_O ), otrzymujemy równanie, które w zasadzie mówi, że moment obrotowy zostanie zachowany, gdy używana jest dźwignia:

F_ia = F_Ob

Ta formuła pozwala nam wygenerować a formuła za „mechaniczną korzyść” dźwigni, która jest stosunkiem siły wejściowej do siły wyjściowej:

Przewaga mechaniczna = a / b = F_O / F_i

We wcześniejszym przykładzie, gdzie a = 2 b , mechaniczna przewaga wynosiła 2, co oznaczało, że 500-funtowy wysiłek mógł być użyty do zrównoważenia 1000-funtowego oporu.

Przewaga mechaniczna zależy od stosunku a do b . W przypadku dźwigni klasy 1 można to skonfigurować w dowolny sposób, ale dźwignie klasy 2 i 3 nakładają ograniczenia na wartości a oraz b .

• W przypadku dźwigni klasy 2 opór znajduje się między wysiłkiem a punktem podparcia, co oznacza, że a < b . Dlatego mechaniczna przewaga dźwigni klasy 2 jest zawsze większa niż 1.
• W przypadku dźwigni klasy 3 wysiłek znajduje się między oporem a punktem podparcia, co oznacza, że a > b . Dlatego mechaniczna przewaga dźwigni klasy 3 jest zawsze mniejsza niż 1.

Prawdziwa dźwignia

Równania reprezentują an wyidealizowany model jak działa dźwignia. Istnieją dwa podstawowe założenia, które wchodzą w idealną sytuację, która może odrzucić rzeczy w prawdziwym świecie:

• Wiązka jest idealnie prosta i nieelastyczna
• Punkt podparcia nie ma tarcia z belką

Nawet w najlepszych sytuacjach rzeczywistych są one tylko w przybliżeniu prawdziwe. Punkt podparcia można zaprojektować z bardzo niskim tarciem, ale prawie nigdy nie będzie miał zerowego tarcia w dźwigni mechanicznej. Dopóki wiązka styka się z punktem podparcia, występuje pewne tarcie.

Być może jeszcze bardziej problematyczne jest założenie, że belka jest idealnie prosta i nieelastyczna. Przypomnijmy wcześniejszy przypadek, w którym używaliśmy 250-funtowego ciężaru do zrównoważenia 1000-funtowego ciężaru. Punkt podparcia w tej sytuacji musiałby utrzymać cały ciężar bez ugięcia lub złamania. To, czy to założenie jest uzasadnione, zależy od użytego materiału.

Zrozumienie dźwigni jest użyteczną umiejętnością w różnych dziedzinach, od technicznych aspektów inżynierii mechanicznej po opracowanie własnego najlepszego schematu kulturystycznego.