Manusia telah lama menggunakan mesin dan mekanisme sederhana untuk membuat pekerjaan fisik lebih mudah dan sederhana. Salah satu mekanisme ini adalah tuas. Apa itu tuas dalam fisika, rumus apa yang menggambarkan keseimbangannya, dan apa jenis tuas itu - semua pertanyaan ini terungkap dalam artikel.
Konsep
Tuas dalam fisika adalah mekanisme yang terdiri dari balok atau papan dan satu penyangga. Penyangga umumnya membagi balok menjadi dua bagian yang tidak sama, yang disebut lengan tuas. Yang terakhir dapat melakukan gerakan rotasi di sekitar titik tumpu.
Menjadi mekanisme sederhana, tuas dirancang untuk melakukan pekerjaan fisik dengan penguatan baik dalam daya atau dalam perjalanan. Gaya yang diterapkan bekerja pada lengan tuas selama operasinya. Salah satunya adalah kekuatan perlawanan. Itu dibuat oleh berat beban yang perlu dipindahkan (diangkat). Gaya kedua adalah gaya eksternal, yang dalam banyak kasus diterapkan pada lengan tuas dengan bantuan tangan manusia.
Gambar di atas menunjukkan tuas tipikal dengandua bahu. Nanti di artikel akan dijelaskan kenapa mengacu pada leverage jenis kedua.
Aturan tuas terlihat seperti ini:
ForceForce arm=LoadLoad arm
Momen gaya
Mari kita menyimpang dari tema tuas dalam fisika dan mempertimbangkan besaran fisika yang penting untuk memahami operasinya. Ini tentang momen kekuatan. Ini adalah produk dari gaya dan panjang lengan penerapannya, yang secara matematis ditulis sebagai berikut:
M=Fd
Penting untuk tidak bingung, lengan gaya d dan lengan tuas, secara umum, ini adalah konsep yang berbeda.
Momen gaya menunjukkan kemampuan yang terakhir untuk berbelok di sistem. Jadi, banyak orang tahu bahwa lebih mudah membuka pintu dengan pegangan daripada mendorongnya ke dekat engsel, atau lebih mudah membuka mur pada baut dengan kunci pas panjang daripada dengan kunci pendek.
Momen gaya adalah vektor. Untuk memahami cara kerja mekanisme tuas sederhana dalam fisika, cukup diketahui bahwa momen dianggap positif jika gaya cenderung memutar lengan tuas berlawanan arah jarum jam. Jika cenderung berbelok searah jarum jam, maka momen harus diambil dengan tanda minus.
Keseimbangan tuas dalam fisika
Untuk memudahkan memahami pada kondisi apa tuas akan seimbang, perhatikan gambar berikut.
Dua gaya ditampilkan di sini: beban R dan gaya eksternal F diterapkan untuk mengatasi inibeban. Lengan gaya ini masing-masing sama dengan dR dan dF. Sebenarnya, ada gaya lain - reaksi penyangga, yang bekerja secara vertikal ke atas pada titik kontak antara balok dan penyangga tuas. Karena bahu gaya ini sama dengan nol, maka tidak akan dipertimbangkan lebih lanjut saat menentukan kondisi keseimbangan.
Menurut statika, rotasi sistem tidak mungkin terjadi jika jumlah momen gaya eksternal sama dengan nol. Mari kita tulis jumlah momen-momen ini, dengan mempertimbangkan tandanya:
RdR- FdF=0.
Persamaan tertulis mencerminkan kondisi keseimbangan yang cukup untuk tuas. Jika bukan dua gaya yang bekerja pada tuas, tetapi lebih, maka kondisi ini akan tetap ada. Hanya alih-alih jumlah dari dua momen gaya, akan diperlukan untuk menemukan jumlah semua momen dari gaya yang bekerja dan menyamakannya dengan nol.
Kemenangannya kuat dan dalam perjalanan
Ungkapan momen-momen gaya-gaya tuas dalam fisika yang telah ditulis pada paragraf sebelumnya, akan ditulis ulang dalam bentuk berikut:
RdR=FdF
Dari rumus di atas berikut ini:
dR / dF=F / R.
Persamaan ini mengatakan bahwa untuk menjaga keseimbangan, diperlukan gaya F yang lebih besar dari berat beban R, berapa kali lengannya dF kurang dari lengan d R. Karena lengan yang lebih besar dalam proses menggerakkan tuas menempuh jalur yang lebih panjang daripada lengan yang lebih kecil, kita mendapat kesempatan untuk melakukan pekerjaan yang sama menggunakan tuas dengan dua cara:
- terapkan lebih banyak kekuatan F dan gerakkan bahu kejarak pendek;
- terapkan gaya kecil F dan gerakkan bahu jarak jauh.
Dalam kasus pertama, seseorang berbicara tentang keuntungan dalam proses memindahkan beban R, dalam kasus kedua, seseorang memperoleh keuntungan dalam kekuatan, karena F < R.
Di mana leverage digunakan dan apa itu?
Bergantung pada titik penerapan gaya tuas dalam fisika dan pada posisi tumpuan, mekanisme paling sederhana dapat terdiri dari tiga jenis:
- Ini adalah tuas dua lengan, di mana posisi penyangga dihilangkan secara merata dari kedua ujung balok. Bergantung pada rasio panjang lengan, jenis tuas ini memungkinkan Anda untuk menang baik di jalan maupun dalam kekuatan. Contoh penggunaannya antara lain timbangan, tang, gunting, penarik kuku, ayunan bayi.
- Tuas jenis kedua adalah lengan tunggal, yaitu penyangga terletak di dekat salah satu ujungnya. Dalam hal ini, gaya eksternal diterapkan ke ujung balok yang lain, dan gaya beban bekerja antara penyangga dan gaya eksternal, yang memungkinkan Anda untuk menang dalam gaya ini. Gerobak dorong atau pemecah kacang adalah contoh utama dari jenis pengungkit ini.
- Jenis mekanisme ketiga diwakili oleh contoh seperti pancing atau pinset. Tuas ini juga berlengan tunggal, tetapi gaya eksternal yang diterapkan sudah lebih dekat ke tumpuan daripada titik penerapan beban. Desain mekanisme sederhana ini memungkinkan Anda untuk menang di jalan, tetapi kalah dalam kekuatan. Itulah mengapa sulit untuk menahan ikan kecil di ujung pancing atau benda berat dengan pinset.
Untuk mengulangi, tuas dalam fisika hanya memungkinkanmembuatnya nyaman untuk melakukan pekerjaan pemindahan barang ini atau itu, tetapi tidak memungkinkan Anda untuk menang dalam pekerjaan ini.
