Номер 4, страница 204 - гдз по физике 7 класс учебник Башарулы, Тезекеев

4. Для чего используют рычаг?

Рычаг — это простейший механизм, представляющий собой твёрдое тело (например, стержень или доску), которое может вращаться вокруг неподвижной точки, называемой точкой опоры. Рычаг используют для преобразования приложенной силы с целью совершения работы. Основная цель использования рычага — получить выигрыш в силе или в расстоянии (а следовательно, и в скорости).

Принцип работы рычага описывается правилом моментов. Момент силы $M$ — это произведение модуля силы $F$ на её плечо $l$: $M = F \cdot l$. Плечо силы — это кратчайшее расстояние от точки опоры до линии, вдоль которой действует сила. Рычаг находится в равновесии, когда сумма моментов сил, вращающих его по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вращающих его против часовой стрелки. Для простого рычага с двумя силами $F_1$ и $F_2$, приложенными к плечам $l_1$ и $l_2$, условие равновесия выглядит так:

$F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$

Исходя из этого правила, рычаг может применяться для решения следующих задач:

1. Получение выигрыша в силе.

Это самое частое применение рычага. Чтобы получить выигрыш в силе, нужно приложить усилие к более длинному плечу рычага. Если плечо приложенной силы ($l_1$) длиннее плеча, на которое действует нагрузка ($l_2$), то для уравновешивания нагрузки потребуется меньшая сила ($F_1 < F_2$). Выигрыш в силе равен отношению длин плеч: $\frac{F_2}{F_1} = \frac{l_1}{l_2}$. Однако, согласно "золотому правилу механики", выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии: точка приложения меньшей силы должна пройти больший путь.

Примеры:

• Лом для сдвигания тяжестей: точка опоры располагается близко к грузу, а сила прикладывается к длинному концу.

• Гаечный ключ: чем длиннее рукоятка ключа, тем меньшее усилие нужно приложить, чтобы открутить гайку.

• Тачка: ось колеса — точка опоры, груз в кузове — нагрузка, а человек прилагает усилие к длинным ручкам.

• Ножницы: чем ближе к шарниру резать материал, тем легче это сделать.

2. Получение выигрыша в расстоянии и скорости.

Если приложить усилие к более короткому плечу ($l_1 < l_2$), то для преодоления нагрузки потребуется приложить большую силу ($F_1 > F_2$). Мы проигрываем в силе, но выигрываем в расстоянии и скорости перемещения конца длинного плеча. Небольшое перемещение точки приложения усилия вызывает значительное и быстрое перемещение точки нагрузки.

Примеры:

• Удочка: небольшое движение рукой у основания удилища приводит к широкому и быстрому взмаху его кончика.

• Конечности животных и человека: например, бицепс прикрепляется к кости предплечья близко к локтевому суставу (точка опоры), что позволяет кисти руки совершать быстрые и размашистые движения.

• Пинцет: усилие прикладывается посередине, а кончики (нагрузка) находятся на конце, что дает не выигрыш в силе, а точность и контроль над перемещением.

3. Изменение направления силы.

Рычаг с равными плечами ($l_1 = l_2$) не дает выигрыша ни в силе, ни в расстоянии ($F_1 = F_2$), но позволяет изменить направление приложения силы.

Пример:

• Качели-балансир: чтобы поднять человека на одном конце, нужно надавить вниз на другой конец.

• Неподвижный блок, который по сути является набором равноплечих рычагов.

Ответ: Рычаг используют для получения выигрыша в силе (чтобы с меньшим усилием преодолевать большую нагрузку) или для получения выигрыша в расстоянии и скорости (чтобы небольшое перемещение точки приложения усилия приводило к большому и быстрому перемещению нагрузки). Также рычаг может применяться для изменения направления действия силы.