สมดุลในฟิสิกส์คือสภาวะของระบบ ซึ่งอยู่ในส่วนที่เหลือสัมพันธ์กับวัตถุโดยรอบ สถิตยศาสตร์คือการศึกษาสภาวะสมดุล กลไกหนึ่งซึ่งเป็นความรู้เกี่ยวกับสภาวะสมดุลสำหรับการทำงานที่มีความสำคัญพื้นฐานคือคันโยก พิจารณาในบทความว่าเลเวอเรจมีกี่ประเภท
ฟิสิกส์คืออะไร
ก่อนจะพูดถึงประเภทของคันโยก (ในทางฟิสิกส์ ป.7 ผ่านหัวข้อนี้) มานิยามอุปกรณ์นี้กันก่อน คันโยกเป็นกลไกง่ายๆ ที่ช่วยให้คุณแปลงแรงเป็นระยะทางและในทางกลับกัน คันโยกมีอุปกรณ์ที่เรียบง่ายประกอบด้วยคาน (บอร์ด, แกน) ซึ่งมีความยาวที่แน่นอนและรองรับหนึ่งอัน ตำแหน่งของตัวรองรับไม่คงที่ จึงสามารถวางได้ทั้งตรงกลางลำแสงและปลายคาน เราทราบทันทีว่าตำแหน่งของแนวรับโดยทั่วไปกำหนดประเภทของคันโยก
หลังนี้ถูกใช้โดยมนุษย์มาตั้งแต่ไหนแต่ไรแล้ว ดังนั้นจึงเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าในเมโสโปเตเมียโบราณหรือในอียิปต์ด้วยความช่วยเหลือของมัน พวกเขายกน้ำจากแม่น้ำหรือเคลื่อนย้ายหินก้อนใหญ่ในช่วงการก่อสร้างโครงสร้างต่างๆ ใช้คันโยกอย่างแข็งขันในกรีกโบราณ หลักฐานเป็นลายลักษณ์อักษรเพียงอย่างเดียวที่รอดชีวิตจากการใช้กลไกง่ายๆ นี้คือ "ชีวิตคู่ขนาน" ของพลูตาร์ค ซึ่งปราชญ์ได้ยกตัวอย่างการใช้ระบบบล็อกและคันโยกโดยอาร์คิมิดีส
แนวคิดของแรงบิด
การทำความเข้าใจหลักการทำงานของคันโยกประเภทต่างๆ ในวิชาฟิสิกส์เป็นไปได้หากคุณศึกษาประเด็นสมดุลของกลไกที่กำลังพิจารณา ซึ่งเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดของโมเมนต์ของแรง
โมเมนต์ของแรงคือค่าที่ได้จากการคูณแรงด้วยระยะทางจากจุดที่ใช้แรงถึงแกนหมุน ระยะทางนี้เรียกว่า "ไหล่ของแรง" แทนค่า F และ d - แรงและไหล่ตามลำดับ จะได้
M=Fd
โมเมนต์ของแรงทำให้สามารถหมุนรอบแกนนี้ของทั้งระบบได้ ตัวอย่างที่ชัดเจนซึ่งคุณสามารถสังเกตโมเมนต์ของแรงในการดำเนินการคือการคลายเกลียวน็อตด้วยประแจหรือเปิดประตูด้วยมือจับที่อยู่ไกลจากบานพับประตู
แรงบิดคือปริมาณเวกเตอร์ ในการแก้ปัญหามักจะต้องคำนึงถึงสัญลักษณ์ของมันด้วย ควรจำไว้ว่าแรงใดๆ ที่ทำให้ระบบของร่างกายหมุนทวนเข็มนาฬิกาจะสร้างโมเมนต์ของแรงด้วยเครื่องหมาย +.
ยอดคันโยก
รูปด้านบนแสดงคันโยกทั่วไปและแรงที่กระทำกับมันจะถูกทำเครื่องหมาย ต่อมาในบทความก็จะกล่าวว่ามันคือ-เลเวอเรจชนิดแรก ในที่นี้ ตัวอักษร F และ R แสดงถึงแรงภายนอกและน้ำหนักของโหลดตามลำดับ คุณจะเห็นได้ว่าส่วนรองรับถูกหักออกจากตรงกลาง ดังนั้นความยาวของแขน dF และ dR ไม่เท่ากัน
ในสถิตยศาสตร์ แสดงให้เห็นว่าคันโยกไม่เคลื่อนที่เป็นกลไกทั้งหมด ผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อคันโยกต้องเท่ากับศูนย์ เราสังเกตเห็นเพียงสองคนเท่านั้น อันที่จริงยังมีอันที่สามซึ่งอยู่ตรงข้ามกับสองตัวนี้และเท่ากับผลรวม - นี่คือปฏิกิริยาสนับสนุน
เพื่อคันโยกจะไม่ทำการเคลื่อนที่แบบหมุน จำเป็นที่ผลรวมของโมเมนต์ของแรงทั้งหมดจะเท่ากับศูนย์ ไหล่ของแรงปฏิกิริยาของแนวรับเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่สร้างช่วงเวลา มันยังคงเขียนช่วงเวลาของกองกำลัง F และ R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
บันทึกเงื่อนไขสมดุลคันโยกเป็นสูตร ให้ด้วย:
dR/dF=F/R
ความเท่าเทียมกันนี้หมายความว่าเพื่อไม่ให้คันโยกหมุน แรงภายนอกจะต้องมากกว่า (น้อยกว่า) หลายเท่าของน้ำหนักของน้ำหนักที่ยกขึ้น กี่เท่าของแรงที่แขนของแรงนี้ (มากกว่า) กว่าแขนที่น้ำหนักบรรทุก
ถ้อยคำที่ให้มาหมายความว่าเราชนะกี่ครั้งระหว่างทางด้วยความช่วยเหลือของกลไกที่อยู่ระหว่างการพิจารณา เราสูญเสียความแข็งแกร่งเท่ากัน
คันแรก
มันแสดงในย่อหน้าที่แล้ว ที่นี่เราแค่บอกว่าสำหรับคันโยกประเภทนี้การรองรับอยู่ระหว่างแรงกระทำ F และ R ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความยาวของแขนคันโยกดังกล่าวสามารถใช้ได้ทั้งยกน้ำหนักและให้ตัวเร่งความเร็ว
ตาชั่งแบบเครื่องกล กรรไกร ที่ดึงเล็บ หนังสติ๊กเป็นตัวอย่างของคันโยกแบบแรก
ในกรณีของเครื่องชั่ง เรามีแขนสองข้างที่มีความยาวเท่ากัน ดังนั้นการทรงตัวของคันโยกจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อแรง F และ R เท่ากันเท่านั้น ข้อมูลนี้ใช้เพื่อชั่งน้ำหนักวัตถุที่ไม่ทราบมวลโดยเปรียบเทียบกับค่าอ้างอิง
กรรไกรกับที่ดึงเล็บเป็นตัวอย่างสำคัญของการแข็งแกร่งขึ้นแต่ก็พ่ายแพ้ระหว่างทาง ทุกคนรู้ดีว่ายิ่งวางกระดาษไว้ใกล้กับแกนของกรรไกรมากเท่าไหร่ก็ยิ่งตัดได้ง่ายขึ้นเท่านั้น ในทางกลับกัน หากคุณพยายามตัดกระดาษด้วยปลายกรรไกร มีความเป็นไปได้สูงที่พวกเขาจะเริ่ม "เคี้ยว" มัน ยิ่งด้ามกรรไกรหรือที่ดึงเล็บยาวเท่าไหร่ การดำเนินการที่เกี่ยวข้องก็จะยิ่งง่ายขึ้น
สำหรับหนังสติ๊ก นี่เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการได้รับโดยใช้คันโยกระหว่างทาง และด้วยเหตุนี้ในการเร่งความเร็วที่ไหล่ของมันส่งไปยังโพรเจกไทล์
คันที่สอง
ในคันโยกประเภทที่สองทั้งหมด ตัวรองรับอยู่ใกล้กับปลายคานด้านใดด้านหนึ่ง การจัดเรียงนี้นำไปสู่การมีไหล่ข้างเดียวที่คันโยก ในกรณีนี้ น้ำหนักของโหลดจะอยู่ระหว่างส่วนรองรับและแรงภายนอก F เสมอ การจัดเรียงแรงในคันโยกแบบที่สองจะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่มีประโยชน์เพียงอย่างเดียว: ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้น
ตัวอย่างประเภทของเลเวอเรจ ได้แก่ รถสาลี่ซึ่งใช้ในการบรรทุกของหนัก และแคร็กเกอร์ ในทั้งสองกรณี การสูญเสียระหว่างทางไม่มีค่าติดลบใดๆ ดังนั้นในกรณีของคู่มือรถสาลี่ สิ่งสำคัญคือต้องเก็บน้ำหนักไว้ในขณะที่กำลังเคลื่อนที่ ในกรณีนี้ แรงที่ใช้จะน้อยกว่าน้ำหนักบรรทุกหลายเท่า
คันที่สาม
การออกแบบคันโยกประเภทนี้มีความคล้ายคลึงกับคันที่แล้วหลายแบบ ส่วนรองรับในกรณีนี้ยังอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของลำแสงและคันโยกมีแขนเดียว อย่างไรก็ตามตำแหน่งของแรงกระทำในนั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากคันโยกประเภทที่สอง จุดที่ใช้แรง F อยู่ระหว่างน้ำหนักบรรทุกและส่วนรองรับ
พลั่ว ไม้กั้น คันเบ็ด และแหนบเป็นตัวอย่างที่โดดเด่นของการงัดประเภทนี้ ในทุกกรณีเหล่านี้ เราชนะระหว่างทาง แต่มีการสูญเสียความแข็งแกร่งอย่างมาก ตัวอย่างเช่น หากต้องการจับของหนักด้วยแหนบ คุณต้องใช้แรง F มาก ดังนั้นการใช้เครื่องมือนี้ไม่ได้หมายถึงการถือของหนักด้วย
สรุปได้ว่าคันโยกทุกประเภททำงานบนหลักการเดียวกัน พวกเขาไม่ได้ให้ผลกำไรในการเคลื่อนย้ายสินค้า แต่อนุญาตให้คุณแจกจ่ายงานนี้ในทิศทางของการใช้งานที่สะดวกยิ่งขึ้นเท่านั้น