Modern makineler oldukça karmaşık bir tasarıma sahiptir. Ancak sistemlerinin çalışma prensibi basit mekanizmaların kullanılmasına dayanmaktadır. Bunlardan biri kaldıraçtır. Fizik açısından neyi temsil eder ve ayrıca kaldıraç hangi koşulda dengededir? Bu ve buna benzer soruları yazımızda cevaplayacağız.
Fizikte kaldıraç
Herkesin bunun nasıl bir mekanizma olduğu konusunda iyi bir fikri var. Fizikte bir kaldıraç, iki parçadan oluşan bir yapıdır - bir kiriş ve bir destek. Bir kiriş, bir tahta, bir çubuk veya belirli bir uzunluğa sahip başka herhangi bir katı nesne olabilir. Kirişin altında bulunan destek, mekanizmanın denge noktasıdır. Kolun bir dönme eksenine sahip olmasını sağlar, onu iki kola ayırır ve sistemin uzayda ilerlemesini engeller.
İnsanlık, eski zamanlardan beri, esas olarak ağır yükleri kaldırma işini kolaylaştırmak için kaldıracı kullanıyor. Ancak, bu mekanizmanın daha geniş bir uygulaması vardır. Böylece yüke büyük bir itici güç vermek için kullanılabilir. Böyle bir uygulamaya en iyi örnekortaçağ mancınıklarıdır.
Kol üzerine etki eden kuvvetler
Kolların kollarına etki eden kuvvetleri değerlendirmeyi kolaylaştırmak için aşağıdaki şekli göz önünde bulundurun:
Bu mekanizmanın farklı uzunluklarda kolları olduğunu görüyoruz (dR<dF). Omuzların aşağı doğru yönlendirilmiş kenarlarına iki kuvvet etki eder. F dış kuvveti, R yükünü kaldırma ve faydalı iş yapma eğilimindedir. R yükü bu kaldırmaya direnir.
Aslında, bu sistemde hareket eden üçüncü bir kuvvet var - destek tepkisi. Ancak kolun eksen etrafında dönmesini engellemez veya katkıda bulunmaz, sadece tüm sistemin ilerlememesini sağlar.
Böylece, kolun dengesi sadece iki kuvvetin oranıyla belirlenir: F ve R.
Mekanizma denge koşulu
Bir kaldıraç için denge formülünü yazmadan önce, dönme hareketinin önemli bir fiziksel özelliği olan kuvvet momentini ele alalım. Omuz d ve F kuvvetinin çarpımı olarak anlaşılır:
M=dF.
Bu formül, F kuvveti kaldıraç koluna dik etki ettiğinde geçerlidir. d değeri, dayanak noktasından (dönme ekseni) F kuvvetinin uygulama noktasına kadar olan mesafeyi tanımlar.
Statiği hatırlayarak, tüm momentlerinin toplamı sıfıra eşitse sistemin kendi eksenleri etrafında dönmeyeceğini not ediyoruz. Bu toplamı bulurken kuvvet momentinin işareti de dikkate alınmalıdır. Söz konusu kuvvet saat yönünün tersine dönme eğilimindeyse, yarattığı an pozitif olacaktır. Aksi halde kuvvet momentini hesaplarken eksi işareti ile alınız.
Kol için yukarıdaki dönme dengesi koşulunu uygulayarak aşağıdaki eşitliği elde ederiz:
dRR - dFF=0.
Bu eşitliği dönüştürerek şöyle yazabiliriz:
dR/dF=F/R.
Son ifade, kaldıraç dengesi formülüdür. Eşitlik şunu söyler: dF kaldıracı dR ile karşılaştırıldığında ne kadar büyükse, R yükünü dengelemek için F kuvvetinin uygulanması o kadar az olacaktır.
Kuvvet momenti kavramı kullanılarak verilen bir kaldıracın denge formülü ilk olarak MÖ 3. yüzyılda Arşimet tarafından deneysel olarak elde edildi. e. Ancak, o zamanlar kuvvet anı kavramı fiziğe dahil edilmediğinden, bunu yalnızca deneyimle elde etti.
Kolun terazisinin yazılı durumu da bu basit mekanizmanın neden hem yol hem de güç olarak kazanç sağladığını anlamayı mümkün kılıyor. Gerçek şu ki, kolun kollarını çevirdiğinizde, daha büyük bir mesafe daha uzun bir mesafe kat eder. Aynı zamanda, üzerinde kısa olandan daha küçük bir kuvvet etki eder. Bu durumda, güçte bir kazanç elde ederiz. Omuzların parametreleri aynı bırakılırsa, yük ve kuvvet ters çevrilirse, o zaman yolda bir kazanç elde edersiniz.
Denge sorunu
Kol kirişinin uzunluğu 2 metredir. Destek olmakkirişin sol ucundan 0,5 metre uzaklıkta bulunur. Kaldıracın dengede olduğu ve sol omzuna 150 N'luk bir kuvvetin etki ettiği bilinmektedir. Bu kuvveti dengelemek için sağ omzuna hangi kütlenin konulması gerekir.
Bu sorunu çözmek için yukarıda yazılan bakiye kuralını uyguluyoruz, elimizde:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Bu nedenle, yükün ağırlığı 50 N'ye eşit olmalıdır (kütle ile karıştırılmamalıdır). Bu değeri yerçekimi formülünü kullanarak karşılık gelen kütleye çeviriyoruz, elimizde:
m=R/g=50/9, 81=5,1kg.
Yalnızca 5,1 kg ağırlığındaki bir vücut 150 N'luk bir kuvveti dengeleyecektir (bu değer 15,3 kg ağırlığındaki bir cismin ağırlığına karşılık gelir). Bu, güçte üç kat artış olduğunu gösterir.
