Фізика. 7 клас. Пістун

§ 46. Умова рівноваги важеля

  • Які пристрої називають простими механізмами?
  • Яка будова і принцип дії важільних ваг?

1. Ознайомимося докладніше з одним із найпоширеніших простих механізмів — важелем. Для того, щоб довгий стержень перетворився на важіль, він повинен мати можливість обертатися навколо нерухомої опори або осі.

Точка прикладання сили — це точка, в якій на важіль діє інше тіло.

Рис. 141

Рис. 142

В обох випадках використання важеля дає виграш у силі. Чи можна підрахувати цей виграш? Чи існує якась закономірність, що дає змогу розрахувати величину сили, яку потрібно прикласти, щоб підняти вантаж за допомогою важеля? Чи можна визначити місце прикладання сили, наприклад, м’язового зусилля, потрібного для піднімання вантажу?

нього сили схематично показані на рисунку 144. Зафіксуємо положення більшого тягаря в точці А. Залежно від місця закріплення меншого тягаря важіль може розпочати обертання за годинниковою стрілкою або проти її ходу. І лиш тільки цей тягар буде закріплено у точці В, важіль перебуватиме у рівновазі.

Рис. 143

Рис. 144

Змінимо умови досліду і прикріпимо в точці А тягар, у 3 рази більший, ніж тягар у точці В. Виявиться, що для приведення важеля в рівновагу менший тягар доведеться змістити на відстань у 3 рази більшу, ніж відстань ОА. Щоб описати помічену закономірність, доведеться ввести поняття плеча сили.

3. Плече сили — це найкоротша відстань від осі обертання тіла до лінії дії сили.

Щоб знайти плече сили, треба опустити перпендикуляр з точки опори на лінію, вздовж якої діє сила.

4. На основі подібних дослідів більше двох тисяч років тому давньогрецьким ученим Архімедом було встановлене правило: важіль перебуває у рівновазі, якщо сили, що діють на нього, обернено пропорційні плечам цих сил.

Це правило (умова) рівноваги важеля можна записати у вигляді формули:

де F1 і F2 — сили, що діють на важіль, l1 і l2 — відповідно плечі цих сил.

Знаючи правило рівноваги важеля, можна зрозуміти, як за допомогою важеля можна одержати виграш у силі. Якщо до кінця довшої частини важеля прикласти певну невелику силу, то нею можна зрівноважити значно більшу силу, прикладену до коротшої його частини.

Добуток сили на її плече називають моментом сили. Одиниця моменту сили — ньютон-метр (1 Н • м). Увівши момент сили і прийнявши до уваги останню формулу, можна дещо інакше сформулювати правило рівноваги важеля: важіль перебуває у рівновазі, якщо момент сили, що обертає його за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, що обертає важіль проти годинникової стрілки.

6. У багатьох машинах і механізмах, які знайшли широке використання у техніці й побуті, застосовуються важелі. Ви уже знайомі з будовою і принципом дії важільних ваг. Вони саме так і називаються — «важільні ваги», тому що їхній основний елемент — важіль.

Рис. 145

Рис. 146

В організмах людей і тварин, у тілах птахів і комах багато важелів. Тільки у ва-

Рис. 147

Тут важіль дає програш у силі, але виграш у відстані. Виявляється, сила м’язів руки людини значно більша за вагу тягаря, який вона піднімає.

Запитання для самоперевірки

  • 1. У чому полягає правило рівноваги важеля?
  • 2. Що називають плечем сили?
  • 3. Що таке момент сили? В яких одиницях він вимірюється?
  • 4. Наведіть різні формулювання правила рівноваги важеля.
  • 5. Поясніть дію важеля на якому-небудь прикладі.
  • 6. Чи можна правило рівноваги важеля назвати законом? Відповідь обґрунтуйте.

Завдання 35

  • 1. Поясніть, чому дверну ручку прикріплюють біля краю дверей, а, наприклад, не посередині.
  • 2. На рисунку 148 зображені кусачки, залізничний шлагбаум, гальмівна педаль автомобіля і підйомний кран. Укажіть точки опори і плечі сил у цих важелів. В яких випадках ці механізми використовуються для отримання виграшу в силі, а в яких — для виграшу у відстані?

Рис. 148

  • 3. З якою масою тягар треба підвісити до короткого плеча важеля у точці А (рис. 149), якщо до довгого плеча у точці В прикріплені два тягарі, які діють на важіль із силами 1 Н кожний?

Рис. 149

  • 4. Поясніть принцип дії автонапувалки, зображеної на рисунку 150, де 1 — чашка автонапувалки, 2 — педаль, 3 — труба, що підводить воду з водогону, 4 — клапан, 5 — пружина.

Рис. 150

  • 5. Сила, з якою рука людини стискає щипці, дорівнює 120 Н. Відстань від точки опори до стискуваного щипцями цвяха 1,5 см, а від точки опори до точки прикладання сили 15 см. З якою силою діють щипці на цвях?
  • 6*. До балки, яка лежить на двох опорах А та В (рис. 151) підвішений вантаж із масою 500 кг. Відстань від точки підвісу вантажу до одного з кінців балки в 4 рази більша, ніж до другого. З якою силою тисне балка на кожну опору?

Рис. 151

  • 7*. До кінців легкого стержня завдовжки 1 м підвішені дві кулі з масами 50 г і 200 г. На якій відстані від кулі з більшою масою треба підперти стержень, щоб він перебував у рівновазі?

Робота з комп’ютером

  • Вивчіть матеріали уроку і виконайте завдання, запропоновані в електронному додатку.