Nuo senų senovės žmonija bet kokiomis priemonėmis siekė palengvinti savo fizinį darbą. Priemone šiai problemai išspręsti tapo paprasti mechanizmai. Šiame straipsnyje aptariami tokie išradimai kaip svirtis ir blokas, taip pat svirčių ir blokų sistema.
Kas yra finansinis svertas ir kada jis buvo naudojamas?
Tikriausiai visi nuo vaikystės buvo susipažinę su šiuo paprastu mechanizmu. Fizikoje svirtis yra sijos (strypo, lentos) ir vienos atramos derinys. Tarnauja kaip svorių kėlimo svirtis arba greičio perdavimas kūnams. Priklausomai nuo atramos padėties po sija, svirtis gali padidinti jėgą arba krovinių judėjimą. Reikia pasakyti, kad svirtis nesumažina darbo kaip fizinio dydžio, ji tik leidžia patogiai perskirstyti jo vykdymą.
Vyras ilgą laiką naudojo svertą. Taigi, yra įrodymų, kad jį naudojo senovės egiptiečiai statydami piramides. Pirmasis matematinis svirties poveikio aprašymas datuojamas III amžiuje prieš Kristų ir priklauso Archimedui. Šiuolaikinis šio mechanizmo veikimo principo paaiškinimas, apimantisjėgos momento samprata atsirado tik XVII amžiuje, formuojantis Niutono klasikinei mechanikai.
Svirties taisyklė
Kaip veikia svirtis? Atsakymas į šį klausimą slypi jėgos momento sąvokoje. Pastaroji vadinama tokia verte, kuri gaunama jėgos svirtį padauginus iš jos modulio, tai yra:
M=Fd
Jėgos d ranka yra atstumas nuo atramos taško iki jėgos F taikymo taško.
Kai svirtis atlieka savo darbą, ją veikia trys skirtingos jėgos:
- išorinė jėga, kurią taiko, pavyzdžiui, asmuo;
- krovos, kurią žmogus siekia perkelti svirtimi, svoris;
- atramos, veikiančios iš atramos šono, reakcija į svirties siją.
Atramos reakcija subalansuoja kitas dvi jėgas, todėl svirtis erdvėje nejuda į priekį. Kad jis neatliktų ir sukamojo judesio, būtina, kad visų jėgų momentų suma būtų lygi nuliui. Jėgos momentas visada matuojamas tam tikros ašies atžvilgiu. Šiuo atveju ši ašis yra atramos taškas. Pasirinkus šią ašį, atramos reakcijos jėgos veikimo petys bus lygus nuliui, tai yra, ši jėga sukuria nulinį momentą. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta tipiška pirmosios rūšies svirtis. Rodyklės žymi išorinę jėgą F ir krovinio svorį R.
Užrašykite šių jėgų momentų sumą, turime:
RdR+ (-FdF)=0
Momentų sumos lygybė nuliui užtikrina, kad svirties svirties nesisuktų. Momentasjėga F paimama su neigiamu ženklu, nes ši jėga linkusi pasukti svirtį pagal laikrodžio rodyklę, o jėga R – prieš laikrodžio rodyklę.
Perrašę šią išraišką tokiomis formomis, gauname svirties pusiausvyros sąlygas:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Rašytines lygybes gavome naudodami jėgos momento sąvoką. III amžiuje prieš Kristų. e. Graikų filosofai nežinojo apie šią fizinę sąvoką, tačiau Archimedas, atlikęs eksperimentinius stebėjimus, nustatė atvirkštinį ryšį tarp jėgų, veikiančių svirties svirtis, ir šių rankų ilgio santykio.
Užregistruotos lygybės rodo, kad rankos ilgio sumažėjimas dR prisideda prie galimybės kelti didelius svorius naudojant nedidelę jėgą F ir a. ilga ranka dF R krovinys.
Kas yra blokas fizikoje?
Blockas yra dar vienas paprastas mechanizmas, kuris yra apvalus cilindras su grioveliu išilgai cilindrinio paviršiaus perimetro. Vaga skirta pritvirtinti virvę ar grandinę. Blokas turi sukimosi ašį. Paveikslėlyje parodytas bloko, rodančio, kaip jis veikia, pavyzdys.
Šis blokas vadinamas fiksuotu. Tai nesuteikia stiprybės, bet leidžia pakeisti kryptį.
Be fiksuoto bloko, yra ir judantis blokas. Kilnojamųjų ir fiksuotų blokų sistema parodyta žemiau.
Jei šiai sistemai taikoma momentų taisyklė, gausimejėgos padidėjimas yra du kartus, bet tuo pačiu metu prarandame tiek pat pakeliui (paveiksle F=60 N).
Svirtelių ir blokų sistema
Kaip minėta ankstesnėse pastraipose, svertas gali būti naudojamas keliui arba galiai įgyti, o blokas leidžia įgyti galią ir pakeisti jo veikimo kryptį. Šios nagrinėjamų paprastų mechanizmų savybės naudojamos svirčių ir blokų sistemose. Šiose sistemose kiekvienas elementas naudoja tam tikrą jėgą ir perduoda ją kitiems elementams, kad gautume pradinę jėgą kaip išvestį.
Paprastas svirties ir bloko valdymas bei jų konstrukcinio naudojimo lankstumas leidžia iš tokio derinio sudaryti sudėtingus mechanizmus.
Paprastų mechanizmų sistemų naudojimo pavyzdžiai
Tiesą sakant, visos mus supančios mašinos yra svirčių ir blokų sistemos. Štai žinomiausi pavyzdžiai:
- spausdinimo mašinėlė;
- fortepijonas;
- kranas;
- sulankstomi pastoliai;
- reguliuojamos lovos ir stalai;
- žmogaus kaulų, sąnarių ir raumenų rinkinys.
Jei žinoma kiekvienos iš šių sistemų įvesties jėga, tada išėjimo jėgą galima apskaičiuoti paeiliui taikant svirties taisyklę kiekvienam sistemos elementui.
