Mesin modern memiliki desain yang cukup rumit. Namun, prinsip pengoperasian sistem mereka didasarkan pada penggunaan mekanisme sederhana. Salah satunya adalah tuas. Apa yang diwakilinya dari sudut pandang fisika, dan juga, dalam kondisi apa tuas dalam keseimbangan? Kami akan menjawab pertanyaan ini dan pertanyaan lainnya di artikel.
Pengungkit dalam fisika
Setiap orang memiliki gagasan yang bagus tentang mekanisme seperti apa itu. Dalam fisika, tuas adalah struktur yang terdiri dari dua bagian - balok dan penyangga. Balok dapat berupa papan, batang, atau benda padat lainnya yang memiliki panjang tertentu. Penopang, yang terletak di bawah balok, adalah titik keseimbangan mekanisme. Ini memastikan bahwa tuas memiliki sumbu rotasi, membaginya menjadi dua lengan dan mencegah sistem bergerak maju di ruang angkasa.
Manusia telah menggunakan tuas sejak zaman kuno, terutama untuk memudahkan pekerjaan mengangkat beban berat. Namun, mekanisme ini memiliki aplikasi yang lebih luas. Sehingga dapat digunakan untuk memberikan beban impuls yang besar. Contoh utama dari aplikasi semacam ituadalah ketapel abad pertengahan.
Gaya yang bekerja pada tuas
Agar lebih mudah untuk mempertimbangkan gaya yang bekerja pada lengan tuas, perhatikan gambar berikut:
Kita melihat bahwa mekanisme ini memiliki lengan dengan panjang yang berbeda (dR<dF). Dua gaya bekerja di tepi bahu, yang diarahkan ke bawah. Gaya luar F cenderung mengangkat beban R dan melakukan kerja yang berguna. Beban R menahan gaya angkat ini.
Faktanya, ada gaya ketiga yang bekerja dalam sistem ini - reaksi pendukung. Namun, itu tidak mencegah atau berkontribusi pada rotasi tuas di sekitar sumbu, itu hanya memastikan bahwa seluruh sistem tidak bergerak maju.
Dengan demikian, keseimbangan tuas ditentukan oleh rasio hanya dua gaya: F dan R.
Kondisi kesetimbangan mekanisme
Sebelum menuliskan rumus keseimbangan untuk tuas, mari kita pertimbangkan satu karakteristik fisik penting dari gerak rotasi - momen gaya. Ini dipahami sebagai produk bahu d dan gaya F:
M=dF.
Rumus ini berlaku jika gaya F bekerja tegak lurus terhadap lengan tuas. Nilai d menggambarkan jarak dari titik tumpu (sumbu rotasi) ke titik penerapan gaya F.
Mengingat statika, kita perhatikan bahwa sistem tidak akan berputar pada sumbunya jika jumlah semua momennya sama dengan nol. Ketika menemukan jumlah ini, tanda momen gaya juga harus diperhitungkan. Jika gaya yang dimaksud cenderung membuat putaran berlawanan arah jarum jam, maka momen yang diciptakannya akan menjadi positif. Jika tidak, saat menghitung momen gaya, ambil dengan tanda negatif.
Dengan menerapkan kondisi keseimbangan rotasi di atas untuk tuas, kita memperoleh persamaan berikut:
dRR - dFF=0.
Mengubah persamaan ini, kita dapat menulisnya seperti ini:
dR/dF=F/R.
Ekspresi terakhir adalah rumus keseimbangan tuas. Persamaan mengatakan bahwa: semakin besar leverage dF dibandingkan dengan dR, semakin sedikit gaya F yang perlu diterapkan untuk menyeimbangkan beban R.
Rumus untuk keseimbangan tuas yang diberikan menggunakan konsep momen gaya pertama kali diperoleh secara eksperimental oleh Archimedes pada abad ke-3 SM. e. Tetapi dia mendapatkannya secara eksklusif melalui pengalaman, karena pada saat itu konsep momen gaya belum diperkenalkan ke dalam fisika.
Kondisi tertulis dari keseimbangan tuas juga memungkinkan untuk memahami mengapa mekanisme sederhana ini memberikan kemenangan baik dalam cara atau kekuatan. Faktanya adalah ketika Anda memutar lengan tuas, jarak yang lebih jauh menempuh jarak yang lebih panjang. Pada saat yang sama, gaya yang lebih kecil bekerja padanya daripada gaya pendek. Dalam hal ini, kita mendapatkan keuntungan dalam kekuatan. Jika parameter bahu dibiarkan sama, dan beban dan gaya dibalik, maka Anda akan mendapatkan keuntungan di jalan.
Masalah keseimbangan
Panjang balok lengan adalah 2 meter. Mendukungterletak pada jarak 0,5 meter dari ujung kiri balok. Diketahui tuas berada dalam kesetimbangan dan gaya 150 N bekerja pada bahu kirinya. Berapa massa yang harus ditempatkan pada bahu kanan untuk menyeimbangkan gaya ini.
Untuk mengatasi masalah ini, kami menerapkan aturan keseimbangan yang ditulis di atas, kami memiliki:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Jadi, berat beban harus sama dengan 50 N (jangan dikelirukan dengan massa). Kami menerjemahkan nilai ini ke dalam massa yang sesuai menggunakan rumus gravitasi, kami memiliki:
m=R/g=50/9, 81=5.1kg.
Sebuah benda dengan berat hanya 5,1 kg akan menyeimbangkan gaya 150 N (nilai ini sesuai dengan berat badan dengan berat 15,3 kg). Ini menunjukkan peningkatan kekuatan tiga kali lipat.
