Фізика. 7 клас. Максимович

§ 32. Прості механізми. Важіль. Рівновага сил на важелі. Момент сили

«Дайте мені точку опори, і я зрушу Землю».

Архімед

Дізнаймося про...

прості механізми та їх застосування;
важіль та умови рівноваги важеля;
момент сили.

1. Прості механізми та їх види

Ще тисячу років тому люди виконували всю роботу за допомогою своєї чи тваринної м’язової сили. З часом, щоб полегшити працю, вони почали майструвати найпростіші механізми, які у фізиці називають простими механізмами.

Прості механізми — це пристрої, які дають змогу змінити силу або напрям дії сили.

Помітивши, що важкі предмети набагато легше перекочувати, ніж пересувати, люди винайшли колесо. Трапилося це приблизно 6 тисяч років тому. Цей винахід вважають найбільшим досягненням у сфері механіки за всю багатовікову історію людства. Нині найчастіше колесо використовують у транспортних засобах: автомобілях, потягах, велосипедах, самокатах, кінних возах, а також як шасі у літаках, гелікоптерах тощо.

Кмітливість людей підштовхнула їх до розуміння того, що важкі вантажі легше переміщувати за допомогою жердини, під яку ставлять підпору. Жердину називають важелем, а точка опори (точка обертання) розташована у місці підпори. На цьому люди не зупинилися. Наступним кроком було застосування блоків (нерухомого й рухомого) та коловороту як різновидів важеля.

Блок — це колесо із жолобом для троса (мотузки чи каната). Блоки допомагають підіймати чи опускати вантаж. При цьому опускати вантажі за допомогою блоків ще легше, оскільки допомагає власна вага вантажу. Використання системи блоків дає змогу піднімати досить великі вантажі (мал. 32.1).

Мал. 32.1. Система блоків

Коловорот — теж простий механізм. Його використовують у ручних підіймальних пристроях для підняття відер з криниць (мал. 32.2), для свердління отворів у деревині та інших м’яких матеріалах тощо.

Мал. 32.2. Криниця

Ще один простий механізм — похила площина. Похила площина також полегшує підіймання вантажів (зменшується сила, але відстань доводиться долати більшу).

Похилу площину використовують для в’їзду на міст чи на багатоповерхову автостоянку, як трап для підйому пасажирів і вантажу на борт повітряного судна чи корабля (мал. 32.3). Для тих людей, яким важко самостійно пересуватись, дуже важливу роль відіграє пандус (мал. 32.4). Цей простий механізм встановлюють біля сходових кліток у будинках, скверах чи парках, медичних закладах, бібліотеках, школах, підприємствах і навіть у транспорті.

Мал. 32.3. Трап до корабля

Мал. 32.4. Пандус у сквері

Різновидом похилої площини є клин і гвинт. Клин — це трикутний механізм, виготовлений із дерева або металу. За допомогою клину легше розколоти дерев’яні колоди, каміння (мал. 32.5). Нарізка гвинта є похилою площиною, яка багато разів обвита навколо стрижня (мал. 32.6). Гвинтові сходи — це також похила площина (мал. 32.7).

Мал. 32.5. Клин

Мал. 32.6. Нарізка гвинта

Мал. 32.7. Гвинтові сходи

2. Важіль та умови рівноваги важеля

Важіль — тверде тіло, що може обертатися навколо нерухомої осі — осі обертання. Коли ви прикладете силу з одного боку важеля (мал. 32.8, а), то підніметься інший кінець разом з вантажем. Ваше зусилля буде менше, ніж ви підіймали б сам вантаж, тобто вам буде легше. Важіль дає виграш у силі, але програш у відстані.

Найменшу відстань від точки обертання важеля до лінії дії сили називають плечем важеля (l₁, l₂) (мал. 32.8, б).

Мал. 32.8. Важіль

Криниця-журавель, ножиці, плоскогубці, терези, дитяча гойдалка — приклади застосування важеля (мал. 32.9).

Мал. 32.9. Важелі в техніці та побуті

Важіль перебуває у рівновазі, якщо плечі сил важеля обернено пропорційні значенням сил, що діють на нього (умова рівноваги важеля):

Згідно з властивостями пропорції:

F₁l₁ = F₂l₂.

Добуток сили на її плече називають моментом сили і позначають символом М:

M = Fl.

Одиницею вимірювання моменту сил у системі СІ є ньютон на метр (Н • м).

Умову рівноваги важеля можна сформулювати ще так: важіль перебуває у рівновазі, якщо момент сили, який обертає важіль за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, що повертає важіль проти годинникової стрілки:

М₁ = М₂.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Різновидом якого простого механізму є садова тачка?

2. До якого виду простого механізму належить шлагбаум?

Запам’ятайте

Прості механізми — це пристрої, які дають змогу змінити силу або напрямок дії сили.

Важіль — тверде тіло, що може обертатися навколо нерухомої осі — осі обертання.

Плече важеля — найменша відстань від точки обертання важеля до лінії дії сили.

Момент сил — це добуток сили на її плече.

Умова рівноваги важеля: важіль перебуває у рівновазі, якщо момент сили, який обертає важіль за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, що повертає важіль проти годинникової стрілки.

3. Приклад розв’язування задачі

Задача. До меншого плеча важеля прикладена сила 4 Н. До більшого плеча довжиною 12 см прикріплений вантаж масою 250 г. Яка довжина важеля?

Перевірте себе

1. Чому не можна копати лопатою, тримаючи її однією рукою? Яка функція другої руки і де краще її тримати?

2. Плечі важеля дорівнюють 5 см та 8 см. До меншого плеча прикріпили вантаж масою 400 г. Визначте силу, яку потрібно прикласти до іншого плеча, щоб важіль перебував у рівновазі.

3. Якою є довжина важеля, до кінців якого прикладені сили 5 Н і 10 Н, якщо він перебуває в рівновазі, а менше його плече дорівнює 30 см?

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Важіль	Lever
Похила площина	Inclined plane
Блок	Block
Плече важеля	Lever arm
Рівновага	Equilibrium
Момент сил	Torque/Moment (of forces)

Зміст