มนุษยชาติใช้เครื่องจักรและกลไกง่ายๆ มาช้านาน เพื่อทำให้การใช้แรงงานทางกายภาพง่ายขึ้นและง่ายขึ้น หนึ่งในกลไกเหล่านี้คือคันโยก คันโยกในวิชาฟิสิกส์คืออะไร สูตรใดอธิบายความสมดุลของมัน และคันโยกประเภทใด - คำถามเหล่านี้มีการเปิดเผยในบทความ
แนวคิด
คันโยกในวิชาฟิสิกส์คือกลไกที่ประกอบด้วยคานหรือกระดานและตัวรองรับหนึ่งอัน โดยทั่วไปการรองรับจะแบ่งลำแสงออกเป็นสองส่วนไม่เท่ากันซึ่งเรียกว่าแขนคันโยก หลังสามารถหมุนรอบจุดหมุนได้
เนื่องจากเป็นกลไกง่ายๆ คันโยกจึงได้รับการออกแบบมาให้ทำงานทางกายภาพโดยมีกำลังเพิ่มขึ้นหรืออยู่ในระหว่างการขนส่ง แรงที่ใช้กระทำกับแขนของคันโยกระหว่างการทำงาน หนึ่งในนั้นคือพลังแห่งการต่อต้าน มันถูกสร้างขึ้นโดยน้ำหนักของบรรทุกที่ต้องเคลื่อนย้าย (ยกขึ้น) แรงที่สองคือแรงภายนอก ซึ่งส่วนใหญ่แล้วจะใช้กับแขนคันโยกด้วยมือมนุษย์
รูปข้างบนแสดงคันโยกทั่วไปด้วยสองไหล่ ต่อไปในบทความจะอธิบายว่าทำไมมันถึงหมายถึงการใช้ประโยชน์จากประเภทที่สอง
กฎของคันโยกมีลักษณะดังนี้:
บังคับบังคับแขน=โหลดโหลดแขน
ช่วงเวลาแห่งพลัง
ลองพูดนอกเรื่องจากหัวข้อของคันโยกในวิชาฟิสิกส์และพิจารณาปริมาณทางกายภาพที่สำคัญเพื่อให้เข้าใจการทำงานของมัน มันเกี่ยวกับช่วงเวลาแห่งพลัง มันเป็นผลคูณของแรงและความยาวของแขนของแอปพลิเคชันซึ่งเขียนทางคณิตศาสตร์ดังนี้:
M=Fd
มันสำคัญที่จะไม่สับสน แขนของแรง d และแขนของคันโยก โดยทั่วไปมีแนวคิดต่างกัน
โมเมนต์ของแรงแสดงความสามารถของคนหลังในการเลี้ยวในระบบ หลายคนรู้ดีว่าการเปิดประตูด้วยมือจับง่ายกว่าการผลักให้ชิดกับบานพับ หรือการคลายเกลียวน็อตบนสลักเกลียวด้วยประแจยาวง่ายกว่าการใช้ประแจตัวสั้น
โมเมนต์ของแรงเป็นเวกเตอร์ เพื่อให้เข้าใจการทำงานของกลไกคันโยกอย่างง่ายในวิชาฟิสิกส์ ก็เพียงพอแล้วที่จะรู้ว่าโมเมนต์นั้นเป็นบวกหากแรงมีแนวโน้มที่จะหมุนแขนคันโยกทวนเข็มนาฬิกา หากมีแนวโน้มว่าจะเลี้ยวไปในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ช่วงเวลานั้นควรเปลี่ยนเป็นเครื่องหมายลบ
สมดุลคันโยกในวิชาฟิสิกส์
เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าคันโยกจะอยู่ในสภาวะใดในสภาวะสมดุล ให้พิจารณารูปต่อไปนี้
แสดงสองแรงที่นี่: โหลด R และแรงภายนอก F ใช้เพื่อเอาชนะสิ่งนี้โหลด อาวุธของกองกำลังเหล่านี้เท่ากับ dR และ dF ตามลำดับ อันที่จริง มีแรงอีกอย่างหนึ่ง นั่นคือ ปฏิกิริยาของตัวรองรับซึ่งทำหน้าที่ในแนวตั้งขึ้นไปที่จุดสัมผัสระหว่างลำแสงกับส่วนรองรับของคันโยก เนื่องจากไหล่ของแรงนี้มีค่าเท่ากับศูนย์ จะไม่พิจารณาเพิ่มเติมในการพิจารณาเงื่อนไขดุลยภาพ
ตามสถิตศาสตร์ การหมุนของระบบเป็นไปไม่ได้หากผลรวมของโมเมนต์ของแรงภายนอกเท่ากับศูนย์ ลองเขียนผลรวมของช่วงเวลาเหล่านี้โดยคำนึงถึงเครื่องหมาย:
RdR- FdF=0.
ความเท่าเทียมกันเป็นลายลักษณ์อักษรสะท้อนถึงสภาวะสมดุลที่เพียงพอสำหรับคันโยก หากไม่ใช่แรงสองแรงกระทำบนคันโยก แต่มากกว่านั้น สภาพนี้จะยังคงอยู่ แทนที่จะเป็นผลรวมของสองโมเมนต์ของแรง จำเป็นต้องหาผลรวมของโมเมนต์ของแรงกระทำทั้งหมดและหาค่าเท่ากับศูนย์
ชัยชนะกำลังมาแรง
นิพจน์สำหรับช่วงเวลาของแรงงัดในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งเขียนไว้ในย่อหน้าที่แล้ว จะถูกเขียนใหม่ในรูปแบบต่อไปนี้:
RdR=FdF
จากสูตรข้างต้นดังนี้:
dR / dF=F / R.
ความเท่าเทียมกันนี้บอกว่าเพื่อรักษาสมดุล แรง F จะต้องมากกว่าน้ำหนักของโหลด R หลายเท่า กี่เท่าของแขน dF น้อยกว่าแขน d R. เนื่องจากแขนที่ใหญ่กว่าในกระบวนการเคลื่อนคันโยกเดินทางไปในเส้นทางที่ยาวกว่าแขนที่เล็กกว่า เราจึงมีโอกาสทำงานแบบเดียวกันโดยใช้คันโยกได้สองวิธี:
- ใช้แรง F มากขึ้นแล้วขยับไหล่ไปที่ระยะสั้น;
- ออกแรง F เล็กน้อยแล้วขยับไหล่เป็นระยะทางไกล
ในกรณีแรก คนหนึ่งพูดถึงการเพิ่มขึ้นระหว่างทางในกระบวนการเคลื่อนย้ายโหลด R ในกรณีที่สอง คนหนึ่งได้รับความแข็งแกร่ง เนื่องจาก F < R.
เลเวอเรจใช้ที่ไหนและคืออะไร
ขึ้นอยู่กับจุดของการใช้แรงงัดในวิชาฟิสิกส์และตำแหน่งของการสนับสนุน กลไกที่ง่ายที่สุดสามารถเป็นสามประเภท:
- นี่คือคันโยกสองแขนซึ่งตำแหน่งรองรับจะถูกลบออกเท่า ๆ กันจากปลายทั้งสองของลำแสง ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความยาวของแขน คันโยกประเภทนี้ช่วยให้คุณชนะทั้งในทางและความแข็งแกร่ง ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ ตาชั่ง คีม กรรไกร ที่ดึงเล็บ ชิงช้าเด็ก
- คันโยกแบบที่สองเป็นแบบแขนเดียว นั่นคือ ตัวรองรับอยู่ใกล้ปลายด้านใดด้านหนึ่ง ในกรณีนี้ แรงภายนอกถูกนำไปใช้กับปลายอีกด้านของลำแสง และแรงโหลดจะกระทำระหว่างส่วนรองรับและแรงภายนอก ซึ่งทำให้คุณสามารถชนะด้วยแรงนี้ รถสาลี่หรือแคร็กเกอร์เป็นตัวอย่างสำคัญของการใช้ประโยชน์จากประเภทนี้
- กลไกประเภทที่สามแสดงตัวอย่างเช่นคันเบ็ดหรือแหนบ คันโยกนี้เป็นแขนเดี่ยวเช่นกัน แต่แรงที่ใช้ภายนอกนั้นอยู่ใกล้กับส่วนรองรับมากกว่าจุดใช้งานของโหลด การออกแบบกลไกที่เรียบง่ายนี้ช่วยให้คุณชนะบนท้องถนน แต่สูญเสียความแข็งแกร่ง ด้วยเหตุนี้จึงเป็นเรื่องยากที่จะจับปลาตัวเล็กไว้บนตุ้มน้ำหนักที่ปลายคันเบ็ดหรือของหนักที่มีแหนบ
ย้ำนะครับ เฉพาะวิชาฟิสิกส์เท่านั้นที่อนุญาตทำให้สะดวกในการดำเนินการนี้หรืองานการเคลื่อนย้ายสินค้า แต่ไม่อนุญาตให้คุณชนะในงานนี้
