שיווי משקל בפיזיקה הוא מצב של המערכת, שבו היא נמצאת במנוחה יחסית לאובייקטים שמסביב. סטטיקה היא חקר תנאי שיווי המשקל. אחד המנגנונים, שהכרת תנאי שיווי המשקל להפעלתו היא בעלת חשיבות עקרונית, הוא המנוף. שקול במאמר אילו סוגי מינוף הם.
מה זה בפיזיקה?
לפני שנדבר על סוגי המנופים (בפיסיקה, כיתה ז' עוברת את הנושא הזה), בואו נגדיר את המכשיר הזה. מנוף הוא מנגנון פשוט המאפשר להמיר כוח למרחק ולהיפך. למנוף יש מכשיר פשוט, הוא מורכב מקורה (לוח, מוט), שיש לו אורך מסוים, ותמיכה אחת. מיקום התמיכה אינו קבוע, כך שניתן למקם אותו הן באמצע הקורה והן בקצה שלה. אנו מציינים מיד שמיקום התמיכה קובע בדרך כלל את סוג המנוף.
זה האחרון שימש את האדם מאז ומתמיד. אז, ידוע שבמסופוטמיה העתיקה או במצרים, בעזרתה, הם הרימו מים מנהרות או הזיזו אבנים ענקיות במהלךבנייה של מבנים שונים. השתמשו באופן פעיל במנוף ביוון העתיקה. העדות הכתובה היחידה ששרדה לשימוש במנגנון פשוט זה היא "חיים מקבילים" של פלוטארכוס, שם הפילוסוף נותן דוגמה לשימוש במערכת הבלוקים והמנופים על ידי ארכימדס.
המושג של מומנט
הבנת עקרון הפעולה של סוגים שונים של מנופים בפיזיקה אפשרית אם תלמדו את נושא שיווי המשקל של המנגנון הנדון, הקשור קשר הדוק למושג מומנט הכוח.
מומנט הכוח הוא הערך שמתקבל על ידי הכפלת הכוח במרחק מנקודת הפעלתו לציר הסיבוב. מרחק זה נקרא "כתף הכוח". נסמן F ו-d - הכוח והכתף שלו, בהתאמה, ואז נקבל:
M=Fd
רגע הכוח מספק את היכולת להסתובב סביב הציר הזה של המערכת כולה. דוגמאות חיות בהן ניתן לראות את רגע הכוח בפעולה הן פתיחת אום באמצעות מפתח ברגים או פתיחת דלת עם ידית רחוקה מצירי הדלת.
מומנט הוא כמות וקטורית. בפתרון בעיות, לעתים קרובות צריך לקחת בחשבון את הסימן שלו. צריך לזכור שכל כוח שגורם למערכת הגופים להסתובב נגד כיוון השעון יוצר רגע כוח עם הסימן +.
יתרת מנוף
האיור שלמעלה מציג מנוף טיפוסי והכוחות שפועלים עליו מסומנים. בהמשך המאמר יאמר שזה -מינוף מהסוג הראשון. כאן, האותיות F ו-R מציינות כוח חיצוני ומשקל מסוים של העומס, בהתאמה. ניתן גם לראות שהתמיכה מוסטת מהמרכז, כך שאורכי הזרועות dF ו-dR אינם שווים זה לזה.
בסטטיקה מוצג שהמנוף אינו זז כמנגנון שלם, סכום כל הכוחות הפועלים עליו חייב להיות שווה לאפס. ציינו רק שניים מהם. למעשה, יש גם שלישי, שהוא מנוגד לשני אלה ושווה לסכום שלהם - זו תגובת התמיכה.
כדי שהמנות לא תבצע תנועות סיבוביות, יש צורך שסכום כל מומנטי הכוחות יהיה שווה לאפס. הכתף של כוח התגובה של התמיכה היא אפס, כך שהיא לא יוצרת רגע. נותר לרשום את רגעי הכוחות F ו-R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
מצב שיווי משקל מנוף מוקלט כנוסחה, ניתן גם:
dR/dF=F/R
השוויון הזה אומר שכדי שהמנוט לא יסתובב, הכוח החיצוני צריך להיות גדול פי כמה (פחות) ממשקל המטען המורם, כמה פעמים הזרוע של כוח זה קטנה (גדול יותר) מהזרוע שעליה פועל המשקל כמטען.
הנוסח הנתון אומר שכמה פעמים אנחנו מנצחים בדרך בעזרת המנגנון הנדון, אנחנו מפסידים את אותו הסכום בכוח.
מנוף מהסוג הראשון
זה הוצג בפסקה הקודמת. כאן אנו רק אומרים שלמנוף מסוג זה, התמיכה ממוקמת בין הכוחות הפועלים F ו-R. בהתאם ליחס אורכי הזרועות, מנוף כזה יכוללשמש הן להרמת משקולות והן להאצת הגוף.
קשקשים מכניים, מספריים, מושך ציפורניים, קטפולטה הם דוגמאות למנופים מהסוג הראשון.
במקרה של איזון, יש לנו שתי זרועות באורך זהה, ולכן האיזון של המנוף מושג רק כאשר הכוחות F ו-R שווים זה לזה. עובדה זו משמשת לשקלול גופים בעלי מסה לא ידועה על ידי השוואתם לערך ייחוס.
מספריים ומושך ציפורניים הם דוגמאות מצוינות לצבירת כוח אבל לאבדן בדרך. כולם יודעים שככל שגיליון נייר מונח קרוב יותר לציר המספריים, כך קל יותר לחתוך אותו. להיפך, אם תנסה לחתוך נייר בקצוות של מספריים, אז יש סבירות גבוהה שהם יתחילו "לעוס" אותו. ככל שהידית של המספריים או מושך הציפורניים ארוכה יותר, כך קל יותר לבצע את הפעולה המתאימה.
באשר לקטפולטה, זו דוגמה חיה להרוויח בעזרת מנוף בדרך, ולכן בתאוצה שהכתף שלה מעניקה לקליע.
מנוף מהסוג השני
בכל המנופים מהסוג השני, התומך ממוקם ליד אחד מקצוות הקורה. סידור זה מוביל לנוכחות של כתף אחת בלבד ליד המנוף. במקרה זה, משקל המטען נמצא תמיד בין התמיכה לכוח החיצוני F. סידור הכוחות במנוף מהסוג השני מוביל לתוצאה השימושית היחידה: עלייה בכוח.
דוגמאות למינוף מסוג זה הן המריצה, המשמשת לשאת משאות כבדים, ומפצח האגוזים. בשני המקרים אין להפסד בדרך כל ערך שלילי. אז, במקרה של ידנימריצות, חשוב רק לשמור על העומס על המשקל בזמן שהוא נע. במקרה זה, הכוח המופעל קטן פי כמה ממשקל העומס.
מנוף מהסוג השלישי
העיצוב של מנוף מסוג זה דומה במובנים רבים לקודם. התמיכה במקרה זה ממוקמת גם באחד מקצוות הקורה, ולידית יש זרוע אחת. אולם מיקום הכוחות הפועלים בו שונה לחלוטין מאשר במנוף מהסוג השני. נקודת הפעלת הכוח F היא בין משקל המטען לתמיכה.
אתה, מחסום, חכה ופינצטה הם דוגמאות בולטות למינוף מסוג זה. בכל המקרים האלה אנחנו מנצחים בדרך, אבל יש הפסד משמעותי בכוח. לדוגמה, כדי להחזיק מטען כבד בפינצטה, אתה צריך להפעיל כוח גדול F, כך ששימוש בכלי זה אינו אומר להחזיק בו חפצים כבדים.
לסיכום, נציין שכל סוגי המנופים פועלים על אותו עיקרון. הם לא נותנים רווח במלאכת הובלת סחורות, אלא רק מאפשרים לך להפיץ מחדש את העבודה הזו לכיוון היישום הנוח יותר שלה.
