Mūsdienu mašīnām ir diezgan sarežģīts dizains. Taču to sistēmu darbības princips ir balstīts uz vienkāršu mehānismu izmantošanu. Viens no tiem ir svira. Ko tas attēlo no fizikas viedokļa, kā arī, kādos apstākļos svira ir līdzsvarā? Uz šiem un citiem jautājumiem atbildēsim rakstā.
Svira fizikā
Ikvienam ir laba ideja par to, kāds mehānisms tas ir. Fizikā svira ir konstrukcija, kas sastāv no divām daļām - sijas un balsta. Sija var būt dēlis, stienis vai jebkurš cits ciets objekts, kam ir noteikts garums. Balsts, kas atrodas zem sijas, ir mehānisma līdzsvara punkts. Tas nodrošina, ka svirai ir griešanās ass, sadala to divās rokās un neļauj sistēmai pārvietoties uz priekšu telpā.
Cilvēce sviru izmanto jau kopš seniem laikiem, galvenokārt, lai atvieglotu smagu kravu celšanas darbu. Tomēr šim mehānismam ir plašāks pielietojums. Tāpēc to var izmantot, lai slodzei piešķirtu lielu impulsu. Spilgts šādas lietojumprogrammas piemērsir viduslaiku katapultas.
Spēki, kas iedarbojas uz sviru
Lai būtu vieglāk ņemt vērā spēkus, kas iedarbojas uz sviras pleciem, ņemiet vērā šādu attēlu:
Mēs redzam, ka šim mehānismam ir dažāda garuma sviras (dR<dF). Uz plecu malām iedarbojas divi spēki, kas ir vērsti uz leju. Ārējam spēkam F ir tendence pacelt slodzi R un veikt lietderīgu darbu. Krava R iztur šo pacēlumu.
Patiesībā šajā sistēmā darbojas trešais spēks – atbalsta reakcija. Tomēr tas nenovērš un neveicina sviras griešanos ap asi, tas tikai nodrošina, ka visa sistēma nepārvietojas uz priekšu.
Tādējādi sviras līdzsvaru nosaka tikai divu spēku attiecība: F un R.
Mehānisma līdzsvara nosacījums
Pirms pierakstīt sviras līdzsvara formulu, aplūkosim vienu svarīgu rotācijas kustības fizikālo raksturlielumu - spēka momentu. To saprot kā pleca d un spēka F reizinājumu:
M=dF.
Šī formula ir derīga, ja spēks F darbojas perpendikulāri sviras svirai. Vērtība d raksturo attālumu no atbalsta punkta (rotācijas ass) līdz spēka F pielikšanas punktam.
Atceroties statiku, mēs atzīmējam, ka sistēma negriezīsies ap savām asīm, ja visu tās momentu summa būs vienāda ar nulli. Meklējot šo summu, jāņem vērā arī spēka momenta zīme. Ja attiecīgais spēks mēdz griezties pretēji pulksteņrādītāja virzienam, tad moments, kad tas radīsies, būs pozitīvs. Pretējā gadījumā, aprēķinot spēka momentu, ņemiet to ar negatīvu zīmi.
Piemērojot iepriekš minēto sviras rotācijas līdzsvara nosacījumu, iegūstam šādu vienādību:
dRR - dFF=0.
Pārveidojot šo vienlīdzību, mēs to varam rakstīt šādi:
dR/dF=F/R.
Pēdējā izteiksme ir sviras līdzsvara formula. Vienlīdzība saka: jo lielāks ir sviras efekts dF, salīdzinot ar dR, jo mazāks spēks F būs jāpieliek, lai līdzsvarotu slodzi R.
Sviras līdzsvara formulu, kas dota, izmantojot spēka momenta jēdzienu, pirmo reizi eksperimentāli ieguva Arhimēds 3. gadsimtā pirms mūsu ēras. e. Bet viņš to ieguva tikai un vienīgi pieredzes dēļ, jo tajā laikā spēka momenta jēdziens fizikā nebija ieviests.
Uzrakstītais sviras līdzsvara stāvoklis ļauj arī saprast, kāpēc šis vienkāršais mehānisms dod laimestu vai nu ceļā, vai spēkā. Fakts ir tāds, ka, pagriežot sviras sviras, lielāks attālums tiek veikts ilgāks. Tajā pašā laikā uz to iedarbojas mazāks spēks nekā uz īsu. Šajā gadījumā mēs iegūstam spēku. Ja plecu parametri paliek nemainīgi, un slodze un spēks tiek apgriezti pretēji, tad jūs saņemsiet ieguvumu ceļā.
Līdzsvara problēma
Rokas stara garums ir 2 metri. Atbalstsatrodas 0,5 metru attālumā no stara kreisā gala. Ir zināms, ka svira ir līdzsvarā un uz tās kreiso plecu iedarbojas 150 N spēks. Kāda masa jāliek uz labā pleca, lai šo spēku līdzsvarotu.
Lai atrisinātu šo problēmu, mēs izmantojam bilances noteikumu, kas tika rakstīts iepriekš, mums ir:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Tādējādi slodzes svaram jābūt vienādam ar 50 N (nejaukt ar masu). Mēs pārvēršam šo vērtību attiecīgajā masā, izmantojot gravitācijas formulu, mums ir:
m=R/g=50/9, 81=5,1 kg.
Tikai 5,1 kg smags ķermenis līdzsvaros 150 N spēku (šī vērtība atbilst 15,3 kg smaga ķermeņa svaram). Tas norāda uz trīskāršu spēka pieaugumu.
