Moderni strojevi imaju prilično složen dizajn. Međutim, princip rada njihovih sustava temelji se na korištenju jednostavnih mehanizama. Jedna od njih je poluga. Što to predstavlja s gledišta fizike, i također, pod kojim je uvjetima poluga u ravnoteži? Odgovorit ćemo na ova i druga pitanja u članku.
Poluga u fizici
Svi imaju dobru ideju o kakvom se mehanizmu radi. U fizici, poluga je struktura koja se sastoji od dva dijela - grede i oslonca. Greda može biti daska, šipka ili bilo koji drugi čvrsti predmet koji ima određenu duljinu. Oslonac, smješten ispod grede, je ravnotežna točka mehanizma. Osigurava da poluga ima os rotacije, dijeli je na dva kraka i sprječava pomicanje sustava naprijed u prostoru.
Čovječanstvo koristi polugu od davnina, uglavnom da bi olakšalo posao dizanja teških tereta. Međutim, ovaj mehanizam ima širu primjenu. Tako se može koristiti za davanje velikog impulsa opterećenju. Vrhunski primjer takve aplikacijesu srednjovjekovni katapulti.
Sile koje djeluju na polugu
Da biste olakšali razmatranje sila koje djeluju na krakove poluge, razmotrite sljedeću sliku:
Vidimo da ovaj mehanizam ima krakove različitih duljina (dR<dF). Na rubove ramena djeluju dvije sile koje su usmjerene prema dolje. Vanjska sila F teži podizanju tereta R i obavljanju korisnog rada. Opterećenje R opire se ovom podizanju.
Zapravo, postoji treća sila koja djeluje u ovom sustavu - reakcija potpore. Međutim, ne sprječava niti doprinosi rotaciji poluge oko osi, već samo osigurava da se cijeli sustav ne pomiče naprijed.
Dakle, ravnoteža poluge je određena omjerom samo dvije sile: F i R.
Uvjet ravnoteže mehanizma
Prije nego što zapišemo formulu ravnoteže za polugu, razmotrimo jednu važnu fizičku karakteristiku rotacijskog gibanja - moment sile. Razumije se kao umnožak ramena d i sile F:
M=dF.
Ova formula vrijedi kada sila F djeluje okomito na krak poluge. Vrijednost d opisuje udaljenost od uporišta (os rotacije) do točke primjene sile F.
Sjećajući se statike, napominjemo da se sustav neće rotirati oko svoje osi ako je zbroj svih njegovih momenata jednak nuli. Pri pronalaženju ovog zbroja treba uzeti u obzir i predznak momenta sile. Ako se dotična sila nastoji okrenuti u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, tada će trenutak koji stvara biti pozitivan. Inače, kada računate moment sile, uzmite ga s negativnim predznakom.
Primjenjujući gornji uvjet rotacijske ravnoteže za polugu, dobivamo sljedeću jednakost:
dRR - dFF=0.
Transformirajući ovu jednakost, možemo je napisati ovako:
dR/dF=F/R.
Posljednji izraz je formula ravnoteže poluge. Jednakost kaže da: što je veća poluga dF u usporedbi s dR, manja sila F će biti potrebna da bi se uravnotežilo opterećenje R.
Formulu za ravnotežu poluge danu korištenjem koncepta momenta sile prvi je eksperimentalno dobio Arhimed još u 3. stoljeću prije Krista. e. Ali dobio ga je isključivo iskustvom, jer u to vrijeme pojam momenta sile nije bio uveden u fiziku.
Napisano stanje ravnoteže poluge također omogućuje razumijevanje zašto ovaj jednostavan mehanizam daje pobjedu bilo u načinu ili u snazi. Činjenica je da kada okrenete krakove poluge, veća udaljenost prelazi dužu. Pritom na njega djeluje manja sila nego na kratku. U ovom slučaju dobivamo dobitak u snazi. Ako se parametri ramena ostave isti, a opterećenje i sila se obrnu, tada ćete dobiti dobitak na putu.
Problem ravnoteže
Duljina kraka je 2 metra. Podrškakoji se nalazi na udaljenosti od 0,5 metara od lijevog kraja grede. Poznato je da je poluga u ravnoteži i na njeno lijevo rame djeluje sila od 150 N. Koju masu treba staviti na desno rame da se ta sila uravnoteži.
Da bismo riješili ovaj problem, primjenjujemo pravilo ravnoteže koje je gore napisano, imamo:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Dakle, težina tereta treba biti jednaka 50 N (ne brkati se s masom). Ovu vrijednost prevodimo u odgovarajuću masu koristeći formulu za gravitaciju, imamo:
m=R/g=50/9, 81=5,1 kg.
Tijelo teško samo 5,1 kg uravnotežit će silu od 150 N (ova vrijednost odgovara težini tijela teškog 15,3 kg). To ukazuje na trostruko povećanje snage.
