Введение
Простая машина, состоящая из балки, вращающейся на фиксированной оси – простая машина.
the simple machine
Рычаг – это простая машина, состоящая из балки или жесткого стержня, вращающегося на фиксированной оси, называемой точкой опоры (или фулкрумом). Рычаг представляет собой твердое тело, способное вращаться вокруг точки на себе. В зависимости от расположения точки опоры, нагрузки и приложенной силы рычаги делятся на три типа. Рычаг является одной из шести простых машин, выделенных учеными эпохи Возрождения. Рычаг увеличивает входную силу, чтобы получить большую выходную силу, что и называется рычажным эффектом, или механическим преимуществом, полученным в системе. Механическое преимущество равно отношению выходной силы к входной силе. Таким образом, рычаг – это устройство, обеспечивающее механическое преимущество, обменивая силу на перемещение.
Этимология
Слово "lever" вошло в английский язык примерно в 1300 году от слова levier. Оно произошло от основы глагола lever, означающего "поднимать". Этот глагол, в свою очередь, восходит к levare, которое образовано от прилагательного levis, означающего "лёгкий" (в смысле "не тяжёлый"). Первоначальное происхождение слова – протоиндоевропейская основа legwh, означающая "лёгкий", "легко" или "проворный", среди прочего. От этой протоиндоевропейской основы также произошло английское слово "light".
История
Самые ранние свидетельства использования рычажного механизма относятся к древнему Ближнему Востоку, примерно к 5000 г. до н.э., когда он впервые был применён в простых весах. В Древнем Египте, около 4400 г. до н.э., для самого раннего горизонтального ткацкого станка использовалась ножная педаль. В Месопотамии (современный Ирак), примерно в 3000 г. до н.э., был изобретён шадуф – устройство, похожее на кран, использующее рычажный механизм. Самые ранние сохранившиеся письменные упоминания о рычагах датируются III веком до н.э. и принадлежат греческому математику Архимеду, который прославился словами: "Дайте мне точку опоры и рычаг достаточно длинный, и я подниму Землю". Осень Стэнли утверждает, что копалка может рассматриваться как первый рычаг, что позволило бы считать доисторических женщин изобретательницами рычажной технологии.
Сила и рычаги
Рычаг – это балка, соединенная с опорой посредством шарнира, или точки вращения, называемой fulcrum (опорной точкой). Идеальный рычаг не рассеивает и не накапливает энергию, что означает отсутствие трения в шарнире и изгиба балки. В этом случае мощность на входе в рычаг равна мощности на выходе, а отношение выходной силы к входной силе определяется отношением расстояний от fulcrum (опорной точки) до точек приложения этих сил. Это известно как закон рычага. Механическое преимущество рычага можно определить, рассматривая баланс моментов или крутящего момента, T, относительно fulcrum (опорной точки). Если пройденное расстояние больше, то выходная сила уменьшается, где F1 – входная сила, приложенная к рычагу, а F2 – выходная сила. Расстояния a и b – это перпендикулярные расстояния от сил до fulcrum (опорной точки). Поскольку моменты крутящего момента должны быть сбалансированы, механическое преимущество рычага – это отношение выходной силы к входной силе. Эта зависимость показывает, что механическое преимущество можно вычислить как отношение расстояний от fulcrum (опорной точки) до мест приложения входной и выходной сил, при условии, что рычаг невесом и отсутствуют потери на трение, гибкость или износ. Это остается верным, даже если "горизонтальное" расстояние (перпендикулярное направлению силы тяжести) как a, так и b изменяется (уменьшается) при изменении положения рычага относительно горизонтали.
The mechanical advantage of a lever is the ratio of output force to input force. This relationship shows that the mechanical advantage can be computed from ratio of the distances from the fulcrum to where the input and output forces are applied to the lever, assuming a weightless lever and no losses due to friction, flexibility or wear. This remains true even though the "horizontal" distance (perpendicular to the pull of gravity) of both a and b change (diminish) as the lever changes to any position away from the horizontal.
Классы рычагов
Рычаги классифицируются по относительному положению точки опоры, усилия и сопротивления (или нагрузки). Входящую силу обычно называют "усилием", а исходящую – "нагрузкой" или "сопротивлением". Это позволяет выделить три класса рычагов в зависимости от взаимного расположения точки опоры, сопротивления и усилия:
Класс I – Точка опоры расположена между усилием и сопротивлением: усилие прикладывается с одной стороны от точки опоры, а сопротивление (или нагрузка) – с другой. Например, качели, лом, ножницы, весы, плоскогубцы и молоток (при вытаскивании гвоздя). При расположении точки опоры посередине механическое преимущество рычага может быть больше, меньше или равно 1.
Класс II – Сопротивление (или нагрузка) расположено между усилием и точкой опоры: усилие прикладывается с одной стороны от сопротивления, а точка опоры – с другой, например, тачка, орехокол, открывалка для бутылок, гаечный ключ и педаль тормоза автомобиля. Поскольку плечо нагрузки меньше плеча усилия, механическое преимущество рычага всегда больше 1. Его также называют рычагом, увеличивающим силу.
Класс III – Усилие расположено между сопротивлением и точкой опоры: сопротивление (или нагрузка) прикладывается с одной стороны от усилия, а точка опоры – с другой, например, пинцет, молоток, клещи, удочка и челюсть человеческого черепа. Поскольку плечо усилия меньше плеча нагрузки, механическое преимущество рычага всегда меньше 1. Его также называют рычагом, увеличивающим скорость. Эти случаи можно запомнить мнемоническим правилом fre 123, где точка опоры f находится между r (сопротивлением) и e (усилием) для рычага первого класса, сопротивление r находится между f и e для рычага второго класса, а усилие e находится между f и r для рычага третьего класса.
Class I – Fulcrum is located between the effort and the resistance: The effort is applied on one side of the fulcrum and the resistance (or load) on the other side. For example, a seesaw, a crowbar, a pair of scissors, a balance scale, a pair of pliers, and a claw hammer (pulling a nail). With the fulcrum in the middle, the lever's mechanical advantage may be greater than, less than, or even equal to 1. Class II – Resistance (or load) is located between the effort and the fulcrum: The effort is applied on one side of the resistance and the fulcrum is located on the other side, e. g. a wheelbarrow, a nutcracker, a bottle opener, a wrench, and the brake pedal of a car. Since the load arm is smaller than the effort arm, the lever's mechanical advantage is always greater than 1. It is also called a force multiplier lever. Class III – Effort is located between the resistance and the fulcrum: The resistance (or load) is applied on one side of the effort and the fulcrum is located on the other side, e. g. a pair of tweezers, a hammer, a pair of tongs, a fishing rod, and the mandible of a human skull. Since the effort arm is smaller than the load arm, the lever's mechanical advantage is always less than 1. It is also called a speed multiplier lever. These cases are described by the mnemonic fre 123 where the f fulcrum is between r and e for the 1st class lever, the r resistance is between f and e for the 2nd class lever, and the e effort is between f and r for the 3rd class lever.
Комбинированный рычаг
Составной рычаг состоит из нескольких рычагов, действующих последовательно: сопротивление одного рычага в системе рычагов выступает в качестве усилия для следующего, и таким образом приложенная сила передается от одного рычага к другому. Примеры составных рычагов включают весы, кусачки для ногтей и клавиши фортепиано. Молоточек, наковальня и стремечко – это маленькие кости среднего уха, соединенные как составные рычаги, которые передают звуковые волны от барабанной перепонки к овальному окну улитки.