Lidstvo již dlouho používá jednoduché stroje a mechanismy k usnadnění a zjednodušení fyzické práce. Jedním z těchto mechanismů je páka. Co je to páka ve fyzice, jaký vzorec popisuje její rovnováhu a jaké jsou typy pák - všechny tyto otázky jsou odhaleny v článku.
Koncept
Páka ve fyzice je mechanismus skládající se z nosníku nebo desky a jedné podpěry. Podpěra obecně rozděluje nosník na dvě nestejné části, které se nazývají ramena páky. Ten může provádět rotační pohyb kolem opěrného bodu.
Jako jednoduchý mechanismus je páka navržena tak, aby vykonávala fyzickou práci se ziskem buď na síle, nebo při průchodu. Působící síly působí na ramena páky při jejím chodu. Jedním z nich je síla odporu. Vzniká hmotností břemene, které je potřeba přesunout (zvednout). Druhá síla je nějaká vnější síla, která je ve většině případů aplikována na rameno páky pomocí lidských rukou.
Na obrázku nahoře je typická páka sdvě ramena. Později v článku bude vysvětleno, proč se odkazuje na pákový efekt druhého druhu.
Pákové pravidlo vypadá takto:
SílaRameno síly=zatíženíRameno zatížení
Moment síly
Udělejme trochu odbočení od tématu páky ve fyzice a zvažme důležitou fyzikální veličinu pro pochopení jejího fungování. Jde o moment síly. Je to součin síly a délky ramene jeho aplikace, což je matematicky zapsáno takto:
M=Fd
Je důležité nezaměňovat rameno síly d a rameno páky, obecně jde o různé pojmy.
Moment síly ukazuje schopnost posledně jmenovaného provést obrat v systému. Mnoho lidí tedy ví, že je mnohem snazší otevřít dveře za kliku, než je přitlačit k pantům, nebo je snazší odšroubovat matici na šroubu pomocí dlouhého klíče než pomocí krátkého.
Moment síly je vektor. Abychom pochopili fungování jednoduchého pákového mechanismu ve fyzice, stačí vědět, že moment je považován za pozitivní, pokud má síla tendenci otočit rameno páky proti směru hodinových ručiček. Pokud má tendenci otáčet se ve směru hodinových ručiček, pak by měl být okamžik označen znaménkem mínus.
Vyvážení páky ve fyzice
Aby bylo snazší pochopit, za jakých podmínek bude páka v rovnováze, zvažte následující obrázek.
Zde jsou znázorněny dvě síly: zatížení R a vnější síla F použitá k překonání tohotozatížení. Ramena těchto sil se rovnají dR a dF. Ve skutečnosti existuje jiná síla - reakce podpěry, která působí svisle nahoru v místě dotyku nosníku a podpěry páky. Protože rameno této síly se rovná nule, nebude dále uvažováno při určování podmínky rovnováhy.
Podle statiky je rotace systému nemožná, pokud je součet momentů vnějších sil roven nule. Zapišme součet těchto okamžiků s přihlédnutím k jejich znamení:
RdR- FdF=0.
Psaná rovnost odráží podmínku dostatečné rovnováhy pro páku. Pokud na páku nepůsobí dvě síly, ale více, pak tento stav stále zůstane. Pouze místo součtu dvou momentů sil bude nutné najít součet všech momentů působících sil a přirovnat je k nule.
Výhra je silná a na cestě
Výraz pro momenty pákových sil ve fyzice, který byl napsán v předchozím odstavci, bude přepsán do následujícího tvaru:
RdR=FdF
Z výše uvedeného vzorce vyplývá:
dR / dF=F / R.
Tato rovnost říká, že pro udržení rovnováhy je nutné, aby síla F byla tolikrát větší než hmotnost břemene R, kolikrát jeho rameno dF menší než rameno d R. Vzhledem k tomu, že větší rameno v procesu pohybu páky urazí delší dráhu než menší rameno, máme možnost provést stejnou práci pomocí páky dvěma způsoby:
- použijte větší sílu F a posuňte rameno kkrátká vzdálenost;
- použijte malou sílu F a posuňte rameno na velkou vzdálenost.
V prvním případě se mluví o zisku na cestě v procesu přesunu zátěže R, ve druhém případě se získá nárůst síly, protože F < R.
Kde se pákový efekt používá a jaké jsou?
V závislosti na místě působení pákových sil ve fyzice a na poloze podpěry může být nejjednodušší mechanismus tří typů:
- Jedná se o dvouramennou páku, u které je opěrná poloha rovnoměrně odstraněna z obou konců nosníku. V závislosti na poměru délek ramen vám tento typ páky umožňuje vyhrát jak způsobem, tak silou. Mezi příklady jeho použití patří váhy, kleště, nůžky, vytahovač hřebíků, dětská houpačka.
- Páka druhého druhu je jednoramenná, to znamená, že podpěra je umístěna blízko jednoho z jejích konců. V tomto případě je vnější síla aplikována na druhý konec nosníku a zatěžovací síla působí mezi podporou a vnější silou, což vám umožňuje vyhrát právě v této síle. Trakař nebo louskáček jsou nejlepší příklady tohoto druhu pákového efektu.
- Třetí typ mechanismu představují příklady, jako je rybářský prut nebo pinzeta. Tato páka je rovněž jednoramenná, ale vnější působící síla je již blíže k podpěře než k místu působení zátěže. Tento design jednoduchého mechanismu vám umožní vyhrát na silnici, ale ztratit na síle. Proto je obtížné držet malou rybu na závaží na konci rybářského prutu nebo těžký předmět pinzetou.
Opakuji, že páka ve fyzice umožňujeusnadňuje provádění té či oné práce přesunu zboží, ale neumožňuje vám v této práci vyhrát.
