Rovnováha ve fyzice je stav systému, ve kterém je v relativním klidu k okolním objektům. Statika je studium rovnovážných podmínek. Jedním z mechanismů, pro jehož fungování má zásadní význam znalost rovnovážných podmínek, je páka. Zvažte v článku, jaké typy pákového efektu jsou.
Co je to ve fyzice?
Než budeme mluvit o typech pák (ve fyzice tímto tématem projde 7. třída), pojďme definovat toto zařízení. Páka je jednoduchý mechanismus, který umožňuje převádět sílu na vzdálenost a naopak. Páka má jednoduché zařízení, skládá se z nosníku (prkno, tyč), který má určitou délku, a jedné podpěry. Poloha podpěry není pevná, lze ji tedy umístit jak uprostřed nosníku, tak na jeho konci. Hned si všimneme, že poloha podpěry obecně určuje typ páky.
To druhé používá člověk od nepaměti. Je tedy známo, že ve starověké Mezopotámii nebo v Egyptě s jeho pomocí čerpali vodu z řek nebo přemisťovali obrovské kameny běhemvýstavba různých konstrukcí. Páka se aktivně používala ve starověkém Řecku. Jediným písemným důkazem, který se dochoval o použití tohoto jednoduchého mechanismu, jsou Plutarchovy „Paralelní životy“, kde filozof uvádí příklad použití systému bloků a pák Archimédem.
Koncept točivého momentu
Porozumění principu fungování různých typů pák ve fyzice je možné, pokud si prostudujete problematiku rovnováhy uvažovaného mechanismu, která úzce souvisí s konceptem momentu síly.
Moment síly je hodnota, která se získá vynásobením síly vzdáleností od bodu jejího působení k ose otáčení. Tato vzdálenost se nazývá „rameno síly“. Označme F a d - sílu a její rameno, pak dostaneme:
M=Fd
Moment síly poskytuje možnost rotace kolem této osy celého systému. Živé příklady, ve kterých můžete pozorovat moment síly v akci, jsou odšroubování matice pomocí klíče nebo otevření dveří pomocí kliky, která je daleko od pantů dveří.
Točivý moment je vektorová veličina. Při řešení problémů se často musí brát v úvahu její znamení. Je třeba mít na paměti, že jakákoli síla, která způsobí otáčení soustavy těles proti směru hodinových ručiček, vytváří moment síly se znaménkem +.
Zůstatek páky
Obrázek výše ukazuje typickou páku a jsou vyznačeny síly, které na ni působí. Později v článku bude řečeno, že je to -pákový efekt prvního druhu. Zde písmena F a R označují vnější sílu a určitou hmotnost břemene. Můžete také vidět, že podpora je odsazena od středu, takže délky ramen dF a dR nejsou stejné.
Ve statice se ukazuje, že páka se nepohybuje jako celý mechanismus, součet všech sil, které na ni působí, musí být roven nule. Zaznamenali jsme pouze dva z nich. Ve skutečnosti existuje také třetí, který je opačný k těmto dvěma a rovná se jejich součtu – to je reakce podpory.
Aby páka neprováděla rotační pohyby, je nutné, aby součet všech momentů sil byl roven nule. Rameno reakční síly podpory je nulové, takže nevytváří moment. Zbývá zapsat momenty sil F a R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Zaznamenaná podmínka rovnováhy páky jako vzorec, také uvedena:
dR/dF=F/R
Tato rovnost znamená, že aby se páka neotáčela, musí být vnější síla tolikrát větší (menší) než hmotnost zvedaného břemene, kolikrát je rameno této síly menší (větší) než rameno, na které závaží působí náklad.
Daná formulace znamená, že kolikrát na cestě s pomocí uvažovaného mechanismu vyhrajeme, stejně ztratíme na síle.
Páka prvního druhu
Bylo to ukázáno v předchozím odstavci. Zde jen řekneme, že u páky tohoto typu je podpěra umístěna mezi působícími silami F a R. V závislosti na poměru délek ramen může taková pákalze použít jak pro zvedání závaží, tak pro zrychlení těla.
Mechanické váhy, nůžky, vytahovač hřebíků, katapult jsou příklady pák prvního druhu.
V případě rovnováhy máme dvě stejně dlouhá ramena, takže vyvážení páky je dosaženo pouze tehdy, když jsou síly F a R navzájem stejné. Tato skutečnost se používá k vážení těles neznámé hmotnosti jejím porovnáním s referenční hodnotou.
Nůžky a vytahovač hřebíků jsou hlavními příklady toho, jak nabírat sílu, ale zároveň ztrácet. Každý ví, že čím blíže k ose nůžek je list papíru položen, tím snazší je jeho řezání. Naopak, pokud se pokusíte stříhat papír špičkami nůžek, pak je velká pravděpodobnost, že ho začnou „žvýkat“. Čím delší je rukojeť nůžek nebo vytahováku hřebíků, tím snazší je provést odpovídající operaci.
Pokud jde o katapult, toto je názorný příklad získávání pomocí páky na cestě, a tedy ve zrychlení, které jeho rameno uděluje projektilu.
Páka druhého druhu
U všech pák druhého druhu je podpěra umístěna blízko jednoho z konců nosníku. Toto uspořádání vede k přítomnosti pouze jednoho ramene na páce. V tomto případě je hmotnost břemene vždy umístěna mezi podpěrou a vnější silou F. Uspořádání sil v páce druhého druhu vede k jedinému užitečnému výsledku: získání síly.
Příklady tohoto typu pákového efektu jsou trakař, který se používá k přepravě těžkých nákladů, a louskáček. V obou případech ztráta na cestě nemá žádnou zápornou hodnotu. Tedy v případě manuálutrakaře, je důležité pouze udržet zatížení na hmotnosti při pohybu. V tomto případě je použitá síla několikrát menší než hmotnost nákladu.
Páka třetího druhu
Konstrukce tohoto typu páky je v mnoha ohledech podobná té předchozí. Podpěra je v tomto případě také umístěna na jednom z konců nosníku a páka má jedno rameno. Umístění působících sil v ní je však zcela jiné než u páky druhého druhu. Bod působení síly F je mezi hmotností nákladu a podpěry.
Lopata, bariéra, rybářský prut a pinzeta jsou nápadnými příklady tohoto typu pákového efektu. Ve všech těchto případech vyhráváme na cestě, ale dochází k výraznému úbytku síly. Například pro držení těžkého břemene pomocí pinzety musíte vyvinout velkou sílu F, takže použití tohoto nástroje neznamená držení těžkých předmětů.
Na závěr poznamenáváme, že všechny typy pák fungují na stejném principu. Neposkytují zisk v práci na přesunu zboží, ale umožňují vám pouze přerozdělit tuto práci ve směru její pohodlnější implementace.
