Момент сили. Умова рівноваги важеля

Проведіть дослід. Візьміть довгу лінійку та розмістіть її на опорі так, як показано на рисунку. Ближче до опори покладіть (або підвісьте) будь-який вантаж, а рукою натисніть на інший кінець лінійки (подалі від опори), — ви легко утримаєте вантаж. А тепер пересуньте вантаж далі від опори, а руку покладіть ближче до опори. Чому в цьому випадку ви змушені прикладати більше зусилля, адже вантаж залишився тим самим? Поверніться до цього запитання після вивчення матеріалу параграфа, і, без сумнівів, ви легко зможете на нього відповісти.

використовуємо важіль

Уже давно відомо, що важке тіло підняти значно легше, якщо просунути під нього міцний стрижень — лом. У цьому випадку лом відіграватиме роль простого механізму — важеля.

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

Лом, лопата (рис. 34.1), лінійка, якою ми утримували вантаж під час досліду, — все це приклади важелів.

Важіль — найпростіший механізм, яким людина користувалася протягом тисяч років. Зображення важеля можна знайти на скелях і в печерах, на стінах стародавніх храмів і папірусах. І сьогодні приклади застосування важеля ми бачимо всюди (рис. 34.2). Найчастіше як важіль використовують довгий стрижень із закріпленою віссю обертання.

З'ясовуємо умову рівноваги важеля

Визначимо, за якої умови важіль перебуває в рівновазі. Для цього використаємо лабораторний важіль. За допомогою дротяних гачків будемо підвішувати до важеля тягарці. Пересуваючи гачки, змінюватимемо плечі сил, що діють на важіль (рис. 34.3).

Плече сили — це найменша відстань від осі обертання важеля до лінії, уздовж якої сила діє на важіль.

Підвісимо, наприклад, зліва від осі обертання на відстані d₁ = 30 см тягарець вагою Р₁ = F₁ = 1 Н. Справа від осі обертання підвісимо тягарці загальною вагою Р₂ = F₂ = 3 Н і пересуватимемо гачок, доки важіль не буде зрівноважено. Це відбудеться, коли тягарці загальною вагою 3 Н займуть положення на відстані d₂ = 10 см від осі обертання.

Знайдемо відношення F₁/F₂ значень сил, з якими тягарці діють на важіль, і відношення d₂/d₁- плечей цих сил:

Таким чином, отримуємо рівність — умову рівноваги важеля, або правило важеля:

Зверніть увагу на те, що сили F₁ і F₂ намагаються обертати важіль у протилежних напрямках (у нашому досліді сила F₁ намагається обертати важіль проти ходу годинникової стрілки, сила F₂ — за ходом годинникової стрілки).

Правило важеля встановив давньогрецький учений Архімед. За легендою, саме йому належать слова: «Дайте мені точку опори — і я переверну Землю» (рис. 34.4).

Рис. 34.3. Домогтися рівноваги важеля можна, якщо певним чином дібрати плечі сил. Щоб знайти плече сили, слід з точки опори опустити перпендикуляр на лінію дії сили. Тут О — точка опори; d₁ — плече сили F1; d₂ — плече сили F₂

Дізнаємося, чи завжди важіль застосовують для отримання виграшу в силі

Зазвичай кажуть, що за допомогою важеля можна отримати виграш

у силі: наприклад, прикладаючи досить малу силу F₂ , можна підняти порівняно важке тіло (рис. 34.5, а). Однак виграш у силі завжди супроводжується програшем у відстані: плече меншої сили є більшим d2>d1,

тому, коли людина за допомогою важеля піднімає важке тіло навіть на невелику висоту, рука долає значну відстань.

І навпаки, діючи на коротке плече важеля, ми програємо в силі, проте отримаємо виграш у відстані (рис. 34.5, б).

Розгляньте рис. 34.6. Коли важіль застосовують для виграшу в силі, а коли — для виграшу у відстані?

|4 Знайомимося з моментом сили

Для характеристики обертальної дії сили введено фізичну величину момент сили.

Момент сили — фізична величина, яка дорівнює добутку сили, що діє на тіло, на плече цієї сили:

де M — момент сили; F — значення сили; d — плече сили.

Одиниця моменту сили в СІ — ньютонметр:

Сила 1 Н створює момент сили 1 Н-м, якщо плече сили дорівнює 1 м.

Рис. 34.5. За допомогою важеля можна отримати як виграш у силі (а), так і виграш у відстані (б): точка прикладання меншої сили (₂) завжди проходить більший шлях, а точка прикладання більшої сили (і?) — менший шлях: l₂>l₁

Відкриваємо правило моментів

Скористаємося властивістю пропорції та запишемо правило важеля F1/F2=d2/d1. Оскільки добуток сили F на плече dсили — це є момент сили (М), маємо:

Отже, умову рівноваги важеля під дією двох обертальних сил можна сформулювати так: важіль перебуває в рівновазі, якщо момент сили, яка обертає важіль проти ходу годинникової стрілки, дорівнює моменту сили, яка обертає важіль за ходом годинникової стрілки.

Найчастіше на важіль діють більш ніж дві сили. У загальному випадку умова рівноваги важеля (правило моментів) формулюється так:

Важіль перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, які обертають важіль проти ходу годинникової стрілки, дорівнює сумі моментів сил, які обертають важіль за ходом годинникової стрілки.

Наприклад, коли на плечі важеля діють три сили (рис. 34.7), умова його рівноваги матиме вигляд: М₁ = М₂ + М₃.

Зверніть увагу!

1. На важіль (рис. 34.7) крім сил Р_х, Р₂ і Р₃, що намагаються його обертати, діють ще сила тяжіння Р_тяж (важіль має масу) і сила нормальної реакції опори N. Але плечі цих сил, а отже, їхні моменти дорівнюють нулю, тому ці сили не впливають на обертання важеля.

2. Важіль нерухомий. Це означає, що сили, які діють на важіль, скомпенсовані: F₁ + F₂ + F₃ + F_тяж = N. Зрозуміло, що сили будуть скомпенсовані для будь-якого важеля, що перебуває в рівновазі.

16 У^чимося розв'язувати задачі

Задача. Визначте масу вантажу 1 (див. рисунок), якщо маса вантажу 2 становить 4 кг.

Масою важеля знехтуйте.

Аналіз фізичної проблеми. На плечі зображеного на рисунку важеля діють дві сили: вага вантажу 1 (сила ) і вага вантажу 2 (сила Е₂).

Ці сили намагаються обертати важіль у протилежних напрямках: сила Е₁ — проти ходу годинникової стрілки, сила Е₂ — за ходом годинникової стрілки. Із рисунка бачимо, що плечі цих сил становлять: d₁ = 5а, d₂ = 3а, де a — довжина одного відрізка. Вантажі нерухомі, тому вагу кожного з них можна визначити за формулою: F = mg. Важіль перебуває в рівновазі, тому можемо скористатися правилом важеля.

Підбиваємо підсумки

Важіль — це тверде тіло, яке може обертатися навколо нерухомої осі. Плече сили — найкоротша відстань від осі обертання важеля до лінії дії сили.

Характеристикою обертальної дії сили є момент сили M, який дорівнює добутку сили F, що обертає тіло, на плече d цієї сили: М = Fd.

Важіль перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, які обертають важіль проти ходу годинникової стрілки, дорівнює сумі моментів сил, які обертають важіль за ходом годинникової стрілки.

Контрольні запитання

1. Що таке важіль? 2. Наведіть приклади застосування важеля.

3. Дайте означення плеча сили. 4. Якою рівністю записують правило важеля? 5. Чи завжди важіль застосовують для отримання виграшу в силі? Наведіть приклади. 6. Дайте означення моменту сили. 7. Якою є одиниця моменту сили в СІ? 8. Сформулюйте правило моментів.

Вправа № 34

У завданнях 1-7 масою важеля слід знехтувати.

1. Маса якої людини на рис. 1 є більшою? Поясніть свою відповідь.

2. Вага вантажу 1 становить 90 Н (рис. 2). Визначте вагу вантажу 2.

3. Визначте масу вантажу (рис. 3), якщо сила, що діє на правий кінець важеля, дорівнює 40 Н.

4. Загальна маса вантажів — 48 кг (рис. 4). Визначте масу кожного вантажу.

5. До кінців тонкого однорідного стрижня завдовжки 2 м підвішено вантажі масами 14 і 26 кг. На якій відстані від середини стрижня слід розмістити опору, щоб стрижень перебував у рівновазі?

6. Поясніть принцип дії пристроїв, зобра-женихнарис.б.Виконавшинеобхідні вимірювання, дізнайтесь, який найбільший виграш у силі можна отримати за допомогою цих пристроїв.

7. Маса вантажу 1 — 10 кг, вантажу 2 — 5 кг (рис. 6). Визначте масу вантажу 3. З якою силою важіль тисне на опору?

8. Розв’яжіть задачу, розглянуту в параграфі, врахувавши, що маса важеля становить 500 г.

9. Скористайтесь додатковими джерелами ін формації і знайдіть в ідомості про важелів тілі людини.С кладіть задачу, спираючись на отримані відомості, та розв’яжіть її.

Експериментальні завдання

1. За допомогою олівця та трьох монет по 5 копійок виміряйте масу лінійки. Вважайте, що сила тяжіння, яка діє на лінійку, прикладена до її середини. Маса однієї п’ятикопійкової монети дорівнює 4,3 г.

2. Знайдіть у себе вдома кілька пристроїв, дія яких ґрунтується на умові рівноваги важеля (ножиці, пасатижі, гайковий ключ тощо). Проведіть необхідні вимірювання та обчислення і дізнайтесь, який найбільший виграш у силі (або відстані) можна отримати за допомогою цих пристроїв.

Відеодослід. Перегляньте відеоролик, відтворіть дослід і спробуйте його пояснити.

тема. З'ясування умови рівноваги важеля.

Мета: перевірити дослідним шляхом, яким має бути співвідношення сил і їхніх плечей, щоб важіль перебував у рівновазі.

обладнання: важіль; штатив із муфтою та лапкою; набір тягарців масою по 100 г; динамометр; учнівська лінійка.

вказівки до роботи

Підготовка до експерименту

1. Перед виконанням роботи згадайте відповіді на такі запитання.

1) Що називають важелем і де застосовують важелі?

2) Що називають плечем сили?

3) Що таке момент сили?

2. Визначте ціни поділок шкал вимірювальних приладів.

3. Закріпіть на лапці штатива важіль і зрівноважте його за допомс гою регулювальних гайок.

Експеримент

Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника). Результати вимірювань відразу заносьте до таблиці.

1. Підвісьте з одного боку від осі обертання важеля один тягарець, з іншого боку — два тягарці.

2. Пересуваючи тягарці, зрівноважте важіль (рис. 1).

3. Виміряйте за допомогою лінійки плечі d₁ і d₂ відповідних сил Р₁ і Р₂.

4. Вважаючи, що вага одного тягарця дорівнює 1 Н, запишіть значення сил Р₁ і Р₂.

5. Повторіть дослід, підвісивши на одній половині важеля два, а на іншій — три тягарці (рис. 2).

6. Підвісьте праворуч від осі обертання на відстані 12 см три тягарці (рис. 3). Значення сили Р₂ дорівнюватиме загальній вазі цих тягарців. Визначте за допомогою динамометра, яку силу Р₁ потрібно прикласти в точці, що лежить на відстані 8 см правіше від точки підвішення тягарців, щоб утримувати важіль у рівновазі.

опрацювання результаті в експерименту

1. Для кожного досліду: р

1) знайдіть відношення сил — і відношення плечей

2) обчисліть момент М_х сили, що повертає важіль проти ходу годинникової стрілки, і момент М₂ сили, що повертає важіль за ходом годинникової стрілки.

2. Закінчіть заповнення таблиці.

Аналіз експерименту та його результатів

На підставі проведених дослідів порівняйте відношення сил, що діють на важіль, і відношення його плечей. Зробіть висновок, у якому: 1) сформулюйте умову рівноваги важеля; 2) проаналізуйте, які чинники вплинули на точність вимірювань.

творче завдання

Зберіть пристрій, як показано на рис. 4. Виконайте необхідні вимірювання та визначте моменти сил, що діють на важіль. Знайдіть суму моментів. Зробіть висновок про умову рівноваги важеля в цьому експерименті.

Це матеріал підручника Фізика 7 клас Бар'яхтар Довгий