Рычаг

редактировать
Простая машина, состоящая из балки, поворачиваемой на фиксированном шарнире
Рычаг
Palanca-ejemplo.jpg Рычаги могут использоваться для приложения большой силы к небольшое расстояние на одном конце за счет приложения лишь небольшой силы (усилия) на большем расстоянии на другом.
КлассификацияПростая машина
Компонентыточка опоры или шарнир, нагрузка и усилие
Примерыкачели, открывалка для бутылок и т. Д.

A рычаг (или US : ): простая машина, состоящая из балки или жесткого стержня, закрепленного на фиксированном шарнире или опоре. Рычаг - это твердое тело, способное вращаться в точке на себе. Рычаг делится на три типа по расположению опоры, нагрузки и усилия. Кроме того, рычаг - это механическое преимущество, полученное в механической системе. Это одна из шести простых машин, идентифицированных учеными эпохи Возрождения. Рычаг усиливает входную силу, чтобы обеспечить большую выходную силу, которая, как говорят, обеспечивает рычаг . Отношение выходной силы к входной - это механическое преимущество рычага. По сути, рычаг представляет собой механическое устройство, позволяющее компенсировать силу движению.

Содержание

  • 1 Этимология
  • 2 История
  • 3 Сила и рычаги
  • 4 Классы рычагов
  • 5 Составной рычаг
  • 6 Закон рычага
  • 7 Виртуальная работа и закон рычага
  • 8 См. также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

Этимология

Слово «рычаг» вошло в английский язык около 1300 г. из Старофранцузский, в котором слово было левье. Это произошло от основы глагола «рычаг», означающего «поднимать». Глагол, в свою очередь, восходит к латинскому levare, от прилагательного levis, означающего «легкий» (как в «не тяжелый»). Первоначальное происхождение этого слова - протоиндоевропейский (PIE) корень legwh-, означающий, помимо прочего, «легкий», «легкий» или «проворный». Ствол ПИРОГА также дал начало английскому слову «свет».

История

Самые ранние свидетельства существования рычажного механизма относятся к древнему Ближнему Востоку около 5000 г. до н.э., когда он впервые был использован в простых весах баланса. В Древнем Египте около 4400 г. до н.э. ножная педаль использовалась для самого раннего горизонтального рамного ткацкого станка. В Месопотамии (современный Ирак) около 3000 г. до н.э. был изобретен шадуф, краноподобное устройство, использующее рычажный механизм. В технологии Древнего Египта рабочие использовали рычаг для перемещения и подъема обелисков весом более 100 тонн. Об этом свидетельствуют углубления в больших блоках и выступы для манипуляций, которые нельзя было использовать ни для каких целей, кроме рычагов.

Самые ранние сохранившиеся записи, касающиеся рычагов, относятся к III веку до н.э. и были предоставлены Архимед. Он заявил: «Дайте мне достаточно длинный рычаг и точку опоры, на которой я смогу его разместить, и я сдвину мир».

Сила и рычаги

Уравновешенный рычаг

Рычаг - это балка, соединенная с землей с помощью шарнира или оси, называемой точкой опоры. Идеальный рычаг не рассеивает и не накапливает энергию, что означает отсутствие трения в шарнире или изгиба балки. В этом случае мощность, подаваемая на рычаг, равна выходной мощности, а отношение выходной силы к входной определяется как отношение расстояний от точки опоры до точек приложения этих сил. Это известно как закон рычага.

Механическое преимущество рычага может быть определено с учетом баланса моментов или крутящего момента, T, относительно точка опоры. Если пройденное расстояние больше, то выходное усилие уменьшается.

T 1 = F 1 a, {\ displaystyle T_ {1} = F_ {1} a, \ quad}{\ displaystyle T_ {1} = F_ {1} a, \ quad} T 2 = F 2 b {\ displaystyle T_ {2} = F_ {2} b \ !}{\ displaystyle T_ {2} = F_ {2} b \!}

где F 1 - усилие, приложенное к рычагу, а F 2 - выходное усилие. Расстояния a и b - это перпендикулярные расстояния между силами и точкой опоры.

Поскольку моменты крутящего момента должны быть сбалансированы, T 1 = T 2 {\ displaystyle T_ {1} = T_ {2} \!}{\ displaystyle T_ {1} = T_ {2} \!} . Итак, F 1 a = F 2 b {\ displaystyle F_ {1} a = F_ {2} b \!}{\ displaystyle F_ {1} a = F_ {2} b \!} .

Механическое преимущество рычага - это отношение выходной силы к входной,

MA = F 2 F 1 = ab. {\ displaystyle MA = {\ frac {F_ {2}} {F_ {1}}} = {\ frac {a} {b}}. \!}{\ displaystyle MA = {\ frac {F_ {2}} {F_ {1 }}} = {\ frac {a} {b}}. \!}

Это соотношение показывает, что механическое преимущество может быть вычислено из отношение расстояний от точки опоры до места приложения входной и выходной силы к рычагу, при условии отсутствия потерь из-за трения, гибкости или износа. Это остается верным, даже если горизонтальное расстояние (перпендикулярное силе тяжести) как a, так и b изменяется (уменьшается), когда рычаг переходит в любое положение, отличное от горизонтали.

Классы рычагов

Три класса рычагов

Рычаги классифицируются по относительному положению точки опоры, усилию и сопротивлению (или нагрузке). Входную силу принято называть усилием, а выходную силу - нагрузкой или сопротивлением. Это позволяет идентифицировать три класса рычагов по относительному расположению точки опоры, сопротивлению и усилию:

  • Класс 1 : точка опоры между усилием и сопротивлением: усилие прикладывается с одной стороны от оси и сопротивление (или нагрузка) с другой стороны, например, качели, лом или ножницы. Механическое преимущество может быть больше, меньше или равно 1.
  • Класс 2 : Сопротивление (или нагрузка) между усилием и точкой опоры: усилие прикладывается с одной стороны от сопротивления, и точка опоры расположена с другой стороны, например в тачке , щелкунчике, открывалке для бутылок или педали тормоза автомобиля груз рука меньше, чем рука усилия, и механическое преимущество всегда больше единицы. Его также называют рычагом умножения силы.
  • Класс 3 : Усилие между точкой опоры и сопротивлением: сопротивление (или нагрузка) находится на одной стороне усилия, а точка опоры расположена на другой стороне, например, пара пинцета, молоток или губка. Рычаг усилия меньше рычага нагрузки. Механическое преимущество всегда меньше 1. Его также называют рычагом множителя скорости.

Эти случаи описываются мнемонической fre 123, где точка опоры f находится между r и e для рычага 1-го класса, сопротивление r находится между f и e для рычага 2-го класса, а усилие e находится между f и r для рычага 3-го класса.

Составной рычаг

Составной рычаг в кусачке для ногтей

A Составной рычаг состоит из нескольких рычагов, действующих последовательно: сопротивление одного рычага в системе рычагов действует как усилие для следующего, и таким образом приложенная сила передается от одного рычага к другому. Примеры составных рычагов включают весы, кусачки для ногтей и клавиши пианино.

Закон рычага

Рычаг представляет собой подвижный стержень, который вращается на шарнире, прикрепленном к фиксированной точке. Рычаг работает, прикладывая силы на разном расстоянии от точки опоры или оси.

Предполагая, что рычаг не рассеивает и не накапливает энергию, мощность в рычаге должна равняться мощности, исходящей из рычага. Когда рычаг вращается вокруг оси, точки, расположенные дальше от этой оси, перемещаются быстрее, чем точки, расположенные ближе к ней. Следовательно, сила, приложенная к точке, находящейся дальше от оси поворота, должна быть меньше силы, расположенной в точке ближе к ней, потому что мощность - это произведение силы и скорости.

Если a и b - расстояния от точки опоры к точкам A и B, и сила F A, приложенная к A, является входом, а сила F B, приложенная в B, является выходом, отношение скоростей точек A и B дается как a / b, поэтому у нас есть отношение выходной силы к входной, или механическое преимущество, дается как

MA = FBFA = ab. {\ displaystyle MA = {\ frac {F_ {B}} {F_ {A}}} = {\ frac {a} {b}}.}MA = {\ frac {F_ {B}} {F_ {A}}} = {\ frac {a} {b}}.

Это закон рычага, который был доказан Архимед используя геометрические рассуждения. Он показывает, что если расстояние a от точки опоры до места приложения входной силы (точка A) больше, чем расстояние b от точки опоры до места приложения выходной силы (точка B), то рычаг усиливает входную силу. С другой стороны, если расстояние a от точки опоры до входной силы меньше расстояния b от точки опоры до выходной силы, то рычаг уменьшает входную силу.

Использование скорости в статическом анализе рычага является применением принципа виртуальной работы.

Виртуальной работы и закона рычага

Рычаг моделируется как жесткая шина, присоединенная к заземляющей раме с помощью шарнирного соединения называется точка опоры. Рычаг приводится в действие путем приложения входной силы FAв точке A, расположенной вектором координат rAна стержне. Затем рычаг оказывает выходное усилие FBв точке B, расположенной на rB. Вращение рычага вокруг оси P определяется углом поворота θ в радианах.

Гравюра из журнала Mechanics Magazine, опубликованного в Лондоне в 1824 году.

Пусть вектор координат точки P, определяющей точку опоры, равен rP, и введите длины

a = | r A - r P |, b = | r B - r P |, {\ displaystyle a = | \ mathbf {r} _ {A} - \ mathbf {r} _ {P} |, \ quad b = | \ mathbf {r} _ {B} - \ mathbf {r} _ { P} |,}a = | \ mathbf {r} _ {A} - \ mathbf {r} _ {P} |, \ quad b = | \ mathbf {r} _ {B} - \ mathbf {r} _ {P} |,

- расстояния от точки опоры до точки входа A и точки выхода B соответственно.

Теперь введите единичные векторы eAи eBот точки опоры до точек A и B, так что

r A - r P = a e A, r B - r P = b e B. {\ displaystyle \ mathbf {r} _ {A} - \ mathbf {r} _ {P} = a \ mathbf {e} _ {A}, \ quad \ mathbf {r} _ {B} - \ mathbf {r } _ {P} = b \ mathbf {e} _ {B}.}\ mathbf {r} _ {A} - \ mathbf {r} _ {P } = a \ mathbf {e} _ {A}, \ quad \ mathbf {r} _ {B} - \ mathbf {r} _ {P} = b \ mathbf {e} _ {B}.

Скорость точек A и B получается как

v A = θ ˙ ae A ⊥, v B = θ ˙ be В ⊥, {\ displaystyle \ mathbf {v} _ {A} = {\ dot {\ theta}} a \ mathbf {e} _ {A} ^ {\ perp}, \ quad \ mathbf {v} _ {B } = {\ dot {\ theta}} b \ mathbf {e} _ {B} ^ {\ perp},}\ mathbf {v} _ {A} = {\ dot {\ theta}} a \ mathbf {e} _ {A} ^ {\ perp}, \ quad \ mathbf {v} _ {B} = {\ dot {\ theta}} b \ mathbf {e} _ {B} ^ {\ perp},

где eAи eB- единичные векторы, перпендикулярные к eAи eBсоответственно.

Угол θ - это обобщенная координата, которая определяет конфигурацию рычага, а обобщенная сила, связанная с этой координатой, определяется как

F θ = FA ⋅ ∂ v A ∂ θ ˙ - FB ⋅ ∂ v B ∂ θ ˙ = a (FA ⋅ e A ⊥) - b (FB ⋅ e B ⊥) = a FA - b FB, {\ displaystyle F _ {\ theta} = \ mathbf {F} _ {A} \ cdot {\ frac {\ partial \ mathbf {v} _ {A}} {\ partial {\ dot {\ theta}}}} - \ mathbf {F} _ {B } \ cdot {\ frac {\ partial \ mathbf {v} _ {B}} {\ partial {\ dot {\ theta}}}} = a (\ mathbf {F} _ {A} \ cdot \ mathbf {e } _ {A} ^ {\ perp}) - b (\ mathbf {F} _ {B} \ cdot \ mathbf {e} _ {B} ^ {\ perp}) = aF_ {A} -bF_ {B},}F _ {\ theta} = \ mathbf {F} _ {A} \ cdot {\ frac {\ p artial \ mathbf {v} _ {A}} {\ partial {\ dot {\ theta}}}} - \ mathbf {F} _ {B} \ cdot {\ frac {\ partial \ mathbf {v} _ {B }} {\ partial {\ dot {\ theta}}}} = a (\ mathbf {F} _ {A} \ cdot \ mathbf {e} _ {A} ^ {\ perp}) - b (\ mathbf { F} _ {B} \ cdot \ mathbf {e} _ {B} ^ {\ perp}) = aF_ {A} -bF_ {B},

где F A и F B - составляющие сил, перпендикулярные радиальным сегментам PA и PB. Принцип виртуальной работы гласит, что в состоянии равновесия обобщенная сила равна нулю, то есть

F θ = a FA - b FB = 0. {\ displaystyle F _ {\ theta} = aF_ {A} -bF_ {B} = 0. \, \!}F _ {\ theta} = aF_ {A} -bF_ {B} = 0. \, \!

Таким образом, отношение выходной силы F B к входной силе F A получается как

MA = FBFA = ab, {\ displaystyle MA = {\ frac {F_ {B}} {F_ {A}}} = {\ frac {a} {b}},}MA = {\ frac {F_ {B}} {F_ {A}}} = {\ frac {a} { b}},

который является механическим преимущество рычага.

Это уравнение показывает, что если расстояние a от точки опоры до точки A, где приложена входная сила, больше, чем расстояние b от точки опоры до точки B, где приложена выходная сила, то рычаг усиливается входная сила. Если верно обратное, что расстояние от точки опоры до точки входа A меньше, чем от точки опоры до точки выхода B, то рычаг уменьшает величину входной силы.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Рычаги.
Найдите lever в Wiktionary, бесплатном словаре.
Последняя правка сделана 2021-05-27 07:16:10
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте