Moderne mašine imaju prilično složen dizajn. Međutim, princip rada njihovih sistema zasniva se na upotrebi jednostavnih mehanizama. Jedna od njih je poluga. Šta to predstavlja sa stanovišta fizike, kao i pod kojim uslovima je poluga u ravnoteži? Odgovorićemo 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, štap ili bilo koji drugi čvrsti predmet koji ima određenu dužinu. Oslonac, koji se nalazi ispod grede, je ravnotežna tačka mehanizma. Osigurava da poluga ima os rotacije, dijeli je na dva kraka i sprječava sistem da se kreće naprijed u prostoru.
Čovječanstvo koristi polugu od davnina, uglavnom da bi olakšalo posao podizanja teških tereta. Međutim, ovaj mehanizam ima širu primjenu. Tako da se može koristiti za davanje velikog impulsa opterećenju. Odličan 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 dužina (dR<dF). Dvije sile djeluju na rubove ramena, koji su usmjereni prema dolje. Vanjska sila F teži da podigne teret R i izvrši koristan rad. Teret R odoleva ovom podizanju.
U stvari, postoji treća sila koja deluje u ovom sistemu - reakcija podrške. Međutim, to ne sprječava niti doprinosi rotaciji poluge oko ose, već samo osigurava da se cijeli sistem ne pomjera naprijed.
Dakle, balans poluge je određen omjerom samo dvije sile: F i R.
Uslov ravnoteže mehanizma
Pre nego što zapišemo formulu ravnoteže za polugu, razmotrimo jednu važnu fizičku karakteristiku rotacionog kretanja - moment sile. Podrazumijeva se kao proizvod ramena d i sile F:
M=dF.
Ova formula vrijedi kada sila F djeluje okomito na krak poluge. Vrijednost d opisuje udaljenost od uporišta (ose rotacije) do tačke primjene sile F.
Sjećajući se statike, primjećujemo da se sistem neće rotirati oko svoje ose ako je zbir svih njegovih momenata jednak nuli. Prilikom pronalaženja ove sume treba uzeti u obzir i predznak momenta sile. Ako dotična sila teži da se okrene u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, tada će trenutak kada stvara biti pozitivan. Inače, kada računate moment sile, uzmite ga sa negativnim predznakom.
Primjenjujući gornji uvjet rotacijske ravnoteže za polugu, dobijamo sljedeću jednakost:
dRR - dFF=0.
Transformišući 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 poređenju sa dR, manja sila F će biti potrebna za balansiranje opterećenja R.
Formulu za ravnotežu poluge datu konceptom momenta sile prvi je eksperimentalno dobio Arhimed još u 3. veku pre nove ere. e. Ali dobio ga je isključivo iskustvom, pošto u to vrijeme u fiziku nije uveden koncept momenta sile.
Napisano stanje ravnoteže poluge takođe omogućava da se razume zašto ovaj jednostavan mehanizam daje pobedu 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 dobijamo dobit u snazi. Ako se parametri ramena ostave isti, a opterećenje i sila se obrnu, tada ćete dobiti dobitak na putu.
Problem ravnoteže
Dužina kraka je 2 metra. Podrškanalazi se 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 bi se ova sila izbalansirala.
Da riješimo ovaj problem, primjenjujemo pravilo balansa koje je gore napisano, imamo:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Dakle, težina tereta treba da bude jednaka 50 N (ne brkati se sa 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 uravnotežiće silu od 150 N (ova vrijednost odgovara težini tijela teškog 15,3 kg). Ovo ukazuje na trostruko povećanje snage.
