Sodobni stroji imajo precej zapleteno zasnovo. Vendar pa načelo delovanja njihovih sistemov temelji na uporabi preprostih mehanizmov. Eden od njih je vzvod. Kaj predstavlja z vidika fizike in tudi, pod kakšnimi pogoji je vzvod v ravnotežju? Na ta in druga vprašanja bomo odgovorili v članku.
Vzvod v fiziki
Vsakdo ima dobro predstavo, za kakšen mehanizem gre. V fiziki je vzvod struktura, sestavljena iz dveh delov - žarka in podpore. Žarek je lahko deska, palica ali kateri koli drug trden predmet, ki ima določeno dolžino. Podpora, ki se nahaja pod žarkom, je ravnotežna točka mehanizma. Zagotavlja, da ima vzvod vrtilno os, ga razdeli na dve kraki in preprečuje premikanje sistema naprej v prostoru.
Človeštvo že od antičnih časov uporablja vzvod, predvsem za olajšanje dela pri dvigovanju težkih bremen. Vendar ima ta mehanizem širšo uporabo. Tako se lahko uporablja za dajanje velikega impulza obremenitvi. Odličen primer takšne aplikacijeso srednjeveški katapulti.
Sile, ki delujejo na vzvod
Za lažje upoštevanje sil, ki delujejo na krake vzvoda, upoštevajte naslednjo sliko:
Vidimo, da ima ta mehanizem roke različnih dolžin (dR<dF). Na robove ramen delujeta dve sili, ki sta usmerjeni navzdol. Zunanja sila F teži k dvigu bremena R in opravljanju koristnega dela. Tovor R se upira temu dvigu.
Pravzaprav v tem sistemu deluje tretja sila - podporna reakcija. Vendar ne preprečuje ali prispeva k vrtenju ročice okoli osi, zagotavlja le, da se celoten sistem ne premakne naprej.
Tako je ravnovesje vzvoda določeno z razmerjem samo dveh sil: F in R.
Ravnovesni pogoj mehanizma
Preden zapišemo formulo ravnotežja za vzvod, si oglejmo eno pomembno fizično značilnost rotacijskega gibanja - moment sile. Razume se kot produkt rame d in sile F:
M=dF.
Ta formula velja, če sila F deluje pravokotno na ročico vzvoda. Vrednost d opisuje razdaljo od točišča (osi vrtenja) do točke uporabe sile F.
Če se spomnimo statičnosti, opazimo, da se sistem ne bo vrtel okoli svojih osi, če je vsota vseh njegovih momentov enaka nič. Pri iskanju te vsote je treba upoštevati tudi predznak momenta sile. Če se zadevna sila nagiba k zasuku v nasprotni smeri urnega kazalca, bo trenutek, ki ga ustvari, pozitiven. Sicer pa ga pri izračunu momenta sile vzemite z negativnim predznakom.
Z uporabo zgornjega pogoja rotacijskega ravnotežja za vzvod dobimo naslednjo enakost:
dRR - dFF=0.
Če preoblikujemo to enakost, jo lahko zapišemo takole:
dR/dF=F/R.
Zadnji izraz je formula ravnotežja vzvoda. Enakost pravi, da: večji kot je vzvod dF v primerjavi z dR, manj sile F bo treba uporabiti za uravnoteženje obremenitve R.
Formulo za ravnotežje vzvoda, podano s konceptom momenta sile, je prvič eksperimentalno pridobil Arhimed že v 3. stoletju pred našim štetjem. e. Dobil pa ga je izključno z izkušnjami, saj takrat koncept momenta sile še ni bil uveden v fiziko.
Napisano stanje ravnotežja vzvoda omogoča tudi razumevanje, zakaj ta preprost mehanizem daje zmago bodisi v načinu bodisi v moči. Dejstvo je, da ko obrnete ročici vzvoda, večja razdalja prevozi daljšo. Hkrati nanj deluje manjša sila kot na kratko. V tem primeru dobimo pridobitev moči. Če ostanejo parametri ramen enaki in se obremenitev in sila obrneta, boste na poti dobili dobiček.
Težava z ravnotežjem
Dolžina snopa je 2 metra. Podporaki se nahaja na razdalji 0,5 metra od levega konca žarka. Znano je, da je vzvod v ravnotežju in na njegovo levo ramo deluje sila 150 N. Kakšno maso je treba položiti na desno ramo, da uravnotežimo to silo.
Za rešitev te težave uporabimo pravilo ravnotežja, ki je bilo napisano zgoraj, imamo:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Tako mora biti teža tovora enaka 50 N (ne zamenjati z maso). To vrednost prevedemo v ustrezno maso z uporabo formule za gravitacijo, imamo:
m=R/g=50/9, 81=5,1 kg.
Telo, ki tehta le 5,1 kg, bo uravnotežilo silo 150 N (ta vrednost ustreza teži telesa, ki tehta 15,3 kg). To kaže na trikratno povečanje moči.
