Kaip veikia svirtis ir ką ji gali padaryti?

Neilas Beckermanas / Getty Images

Svertai yra visur aplink mus ir mumyse, nes pagrindiniai svirties fiziniai principai leidžia mūsų sausgyslėms ir raumenims judinti galūnes. Kūno viduje kaulai veikia kaip sijos, o sąnariai – kaip atramos taškai.

Pasak legendos, Archimedas (287–212 m. pr. m. e.) kartą garsiai pasakė: „Duok man kur atsistoti, ir aš kartu su ja pajudinsiu Žemę“, kai atskleidė už svirties esančius fizinius principus. Nors pasauliui išjudinti prireiktų labai ilgos svirties, šis teiginys yra teisingas kaip įrodymas, kaip jis gali suteikti mechaninio pranašumo. Garsiąją citatą Archimedui priskiria vėlesnis rašytojas Papas iš Aleksandrijos. Tikėtina, kad Archimedas niekada to nesakė. Tačiau svertų fizika yra labai tiksli.

Kaip veikia svirtys? Kokie yra jų judėjimo principai?

Kaip veikia svirtys?

Svirtis yra a paprasta mašina susideda iš dviejų medžiagų komponentų ir dviejų darbo komponentų:

• Sija arba tvirtas strypas
• Atramos taškas arba sukimosi taškas
• Įvesties jėga (arba pastangos )
• Išėjimo jėga (arba apkrova arba pasipriešinimas )

Sija dedama taip, kad kuri nors jos dalis atsiremtų į atramos tašką. Tradicinėje svirtyje atramos taškas išlieka nejudančioje padėtyje, o jėga yra veikiama kažkur išilgai sijos. Tada spindulys sukasi aplink atramos tašką, darydamas išėjimo jėgą tam tikram objektui, kurį reikia perkelti.

Senovės graikų matematikas ir ankstyvasis mokslininkas Archimedas paprastai priskiriamas tuo, kad jis pirmasis atskleidė fizikinius principus, reguliuojančius svirties elgesį, kuriuos jis išreiškė matematiniais terminais.

Pagrindinės sąvokos, kuriomis veikia svirtis, yra ta, kad kadangi ji yra vientisa sija, tada bendra suma sukimo momentas viename svirties gale pasireikš kaip lygiavertis sukimo momentas kitame gale. Prieš pradėdami aiškinti tai kaip bendrą taisyklę, pažvelkime į konkretų pavyzdį.

Balansavimas ant svirties

Įsivaizduokite dvi mases, subalansuotas ant sijos skersai atramos taško. Šioje situacijoje matome, kad yra keturi pagrindiniai dydžiai, kuriuos galima išmatuoti (jie taip pat parodyti paveikslėlyje):

• M ₁- Masė viename atramos taško gale (įvesties jėga)
• a - Atstumas nuo atramos taško iki M ₁
• M _du- Masė kitame atramos taško gale (išėjimo jėga)
• b - Atstumas nuo atramos taško iki M _du

Ši pagrindinė situacija nušviečia šių įvairių dydžių santykius. Reikėtų pažymėti, kad tai idealizuota svirtis, todėl svarstome situaciją, kai tarp sijos ir atramos taško nėra visiškai jokios trinties ir nėra kitų jėgų, kurios kaip vėjelis išmuštų pusiausvyrą iš pusiausvyros. .

Ši sąranka labiausiai pažįstama iš pagrindinės svarstyklės , naudotas per visą istoriją objektams sverti. Jei atstumai nuo atramos taško yra vienodi (matematiškai išreikšti kaip a = b ), tada svirtis išsibalansuos, jei svoriai yra vienodi ( M ₁= M _du). Jei viename svarstyklių gale naudojate žinomus svorius, galite lengvai nustatyti svorį kitame svarstyklių gale, kai svirtis išsibalansuoja.

Situacija tampa daug įdomesnė, žinoma, kai a nelygu b . Šioje situacijoje Archimedas atrado, kad tarp masės sandaugos ir atstumo abiejose svirties pusėse yra tikslus matematinis ryšys – iš tikrųjų lygiavertiškumas:

M ₁ a = M _du b

Naudodami šią formulę matome, kad padvigubinus atstumą vienoje svirties pusėje, jai subalansuoti prireiks perpus mažiau masės, pvz.:

a = 2 b
M ₁ a = M _du b
M ₁(du b ) = M _du b
du M ₁= M _du
M ₁= 0,5 M _du

Šis pavyzdys buvo pagrįstas idėja, kad masės sėdi ant svirties, tačiau masė gali būti pakeistas bet kuo, kas fiziškai veikia svirtį, įskaitant žmogaus ranką, kuri ją stumia. Tai pradeda duoti mums pagrindinį supratimą apie galimą svirties galią. Jei 0,5 M _du= 1000 svarų, tada tampa aišku, kad galite tai subalansuoti su 500 svarų svoriu kitoje pusėje tiesiog padvigubinę svirties atstumą toje pusėje. Jeigu a = 4 b , tada jūs galite subalansuoti 1000 svarų su tik 250 svarų jėga.

Čia terminas „svertas“ įgauna bendrą apibrėžimą, dažnai taikomą už fizikos ribų: naudojant santykinai mažesnę galią (dažnai pinigų ar įtakos pavidalu), kad gautumėte neproporcingai didesnį pranašumą rezultatui.

Svirčių tipai

Naudodami svirtį darbui atlikti, orientuojamės ne į mases, o į indėlio idėją jėga ant svirties (vadinamas pastanga ) ir gauti išėjimo jėgą (vadinama apkrova arba pasipriešinimas ). Taigi, pavyzdžiui, kai naudojate laužtuvą, kad ištrauktumėte vinį, jūs darote pastangas, kad sukurtumėte išėjimo pasipriešinimo jėgą, kuri ir ištraukia vinį.

Keturis svirties komponentus galima sujungti trimis pagrindiniais būdais, todėl gaunamos trys svirties klasės:

• 1 klasės svirtys: kaip ir aukščiau aptartos svarstyklės, tai yra konfigūracija, kai atramos taškas yra tarp įvesties ir išėjimo jėgų.
• 2 klasės svirtys: pasipriešinimas atsiranda tarp įvesties jėgos ir atramos taško, pavyzdžiui, karučiu ar butelių atidarytuvu.
• 3 klasės svirtys : Atramos taškas yra viename gale, o pasipriešinimas yra kitame gale, o tarp jų yra pastangų, pavyzdžiui, pincetu.

Kiekviena iš šių skirtingų konfigūracijų turi skirtingą reikšmę mechaniniam svirties pranašumui. Norint tai suprasti, reikia sugriauti „sverto dėsnį“, kurį pirmą kartą formaliai suprato Archimedas .

Sverto dėsnis

Pagrindinis matematinis svirties principas yra tas, kad atstumas nuo atramos taško gali būti naudojamas norint nustatyti, kaip įvesties ir išvesties jėgos yra susijusios viena su kita. Jei paimsime ankstesnę svirties masių balansavimo lygtį ir apibendrinsime ją į įvesties jėgą ( F_i ) ir išėjimo jėga ( F_O ), gauname lygtį, kuri iš esmės sako, kad sukimo momentas bus išsaugotas naudojant svirtį:

F_ia = F_Ob

Ši formulė leidžia generuoti a formulę svirties „mechaniniam pranašumui“, kuri yra įėjimo jėgos ir išėjimo jėgos santykis:

Mechaninis pranašumas = a / b = F_O / F_i

Ankstesniame pavyzdyje, kur a = 2 b , mechaninis pranašumas buvo 2, o tai reiškė, kad 500 svarų pastangomis galima subalansuoti 1000 svarų pasipriešinimą.

Mechaninis pranašumas priklauso nuo santykio a į b . 1 klasės svirtims tai gali būti sukonfigūruota bet kokiu būdu, tačiau 2 ir 3 klasės svirtys apriboja a ir b .

• 2 klasės svirties pasipriešinimas yra tarp pastangų ir atramos taško, tai reiškia a < b . Todėl 2 klasės svirties mechaninis pranašumas visada yra didesnis nei 1.
• 3 klasės svirties pastangos yra tarp pasipriešinimo ir atramos taško, tai reiškia a > b . Todėl 3 klasės svirties mechaninis pranašumas visada yra mažesnis nei 1.

Tikras svirtis

Lygtys vaizduoja an idealizuotas modelis kaip veikia svirtis. Yra dvi pagrindinės prielaidos, kurios patenka į idealizuotą situaciją, kurios gali iškreipti dalykus realiame pasaulyje:

• Sija yra visiškai tiesi ir nelanksti
• Atramos taškas neturi trinties su sija

Net geriausiose realaus pasaulio situacijose tai tik apytiksliai tiesa. Atramos taškas gali būti suprojektuotas su labai maža trintimi, tačiau beveik niekada nebus trinties mechaninėje svirtyje. Tol, kol sija liečiasi su atramos tašku, bus tam tikra trintis.

Galbūt dar problemiškesnė yra prielaida, kad sija yra visiškai tiesi ir nelanksti. Prisiminkite ankstesnį atvejį, kai naudojome 250 svarų svorį, kad subalansuotume 1000 svarų svorį. Šioje situacijoje atramos taškas turėtų atlaikyti visą svorį nenuslinkdamas ar nesulūždamas. Ar ši prielaida yra pagrįsta, priklauso nuo naudojamos medžiagos.

Svertų supratimas yra naudingas įgūdis įvairiose srityse, pradedant techniniais mechanikos inžinerijos aspektais ir baigiant geriausio kultūrizmo režimo kūrimu.