Кожна сучасна людина, яка чує слово “механізм”, уявляє собі набір шурупів, гайок, металевих прутів, пружин, поршнів, дисків і валів. Насправді ж під цим словом звичайно розуміли більш прості речі, наприклад, дерев’яний клин або звичайну похилу площину. Згадані механізми називаються простими. Одним з них є важіль. Розглянемо у статті, що це – важіль.
Фізичне поняття про важелі
Важіль – це простий механізм, службовець для полегшення виконання багатьох видів робіт, наприклад, підйом вантажів або повідомлення тіл початкової швидкості. Важіль складається з двох елементів: балки певної довжини і однієї опори. Опора, що розташовується під балкою, ділить важіль на два плеча. Співвідношення їх довжин є принциповим під час застосування цього механізму.
На малюнку вище показано розглянутий простий механізм, який є важелем першого роду (див. нижче).
Історична довідка
Кожен школяр чув вже в 7 класі про знаменитому важіль Архімеда. Грецький філософ стверджував, що при певних розмірах цього простого механізму він міг би перевернути нашу Землю, будь друга така планета, яку можна було б використовувати в якості опори. Архімеду дійсно належить велика заслуга в розвитку статики, оскільки він зміг експериментально отримати математичне рівняння, яке в даний час носить назву “Умови рівноваги важеля”.
Однак сам принцип важеля використовувався задовго до нашої ери. Так, відомо, що для забору води з річок застосовувався цей простий механізм. Існують історичні свідчення, що при будівництві пірамід єгиптяни також застосовували систему важелів.
Принцип роботи важеля
Познайомившись із питанням, що таке важіль у фізиці (це найпростіший механізм), перейдемо до розгляду принципу, згідно з яким з допомогою важеля виходить виграш у силі або в шляху переміщення. Для цього згадаємо, що у фізиці існує величина, яка називається моментом сили. Останній дорівнює добутку плеча сили на модуль сили, тобто:
M = d*F.
Де плече сили d – це відстань від опори важеля до точки дії сили F.
Якщо згадати статику, то друга умова рівноваги системи твердих тіл в ній свідчить, що система не буде здійснювати обертального руху, якщо сума всіх n моментів сил в ній дорівнює нульовому значенню. Тобто:
∑i=1nMi = 0.
Перш ніж переходити до формулювання умови рівноваги важеля, зазначимо, що момент сили, який прагне повернути систему проти годинникової стрілки, є позитивним. Протилежний йому момент буде негативним.
Вище показано важіль, на який надають дію зовнішня сила F і сила навантаження R. Враховуючи значення плечей сил і напрямки моментів, можна записати наступне рівняння:
R*dR – F*dF = 0.
Звідки отримуємо умову рівноваги важеля, отримане ще Архімедом:
dR/dF = F/R.
Це умова говорить про те, що чим довше плече dF, тим меншу силу F слід прикласти, щоб підняти вагу R. При цьому висота підйому ваги цього буде менше, ніж висота, на яку опуститься плече dF. Таким чином, при dF>dR виходить виграш у силі, але програш в дорозі. При зворотному співвідношенні плечей вийде виграш вже в дорозі, але силу F доведеться докласти більшої величини, ніж вага R.
Таким чином важіль можна застосовувати як для підйому тягарів, так і для повідомлення швидкості тіла вагою R. Останнім раніше використовувалося в катапультах.
Види важелів і приклади
В залежності від положення опори і порядку розташування діють на балку сил важелі бувають трьох родів. Розповімо коротко про особливості кожного з них.
Важіль – це пристрій, який може бути декількох видів. Першого роду важелі є двуплечими. У відповідності із співвідношенням довжин плечей він може давати виграш у силі або в дорозі. Прикладами застосування таких важелів є ножиці, дитячі гойдалки, лапа.
Важіль – це механізм не тільки двуплечий. Він також може мати одне плече, коли опора розташовується поблизу краю балки. У цьому випадку можливо два варіанти розташування точок додатка сил F і R, які були розглянуті раніше. Якщо F лежить далі від опори, ніж R, то ми отримуємо важіль другого роду, якщо ж F ближче до опори, ніж R, то отримуємо важіль третього роду. Важелями другого роду є ручна тачка для переміщення вантажів або орехокол.
В якості важелів третього роду можна привести в приклад рибальську вудку, пінцет або столову вилку.
Неважко зрозуміти, що важелі другого роду дають виграш у силі, а третього роду – в дорозі.
