Рычаг — это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси. Рычаги используются для передачи и преобразования силы.
Немного истории. При строительстве пирамид египтяне могли использовать рычаги для перемещения и установки тяжёлых каменных блоков. Рычаги позволяли рабочим получать большую силу, что было необходимо для подъёма и перемещения массивных камней. Хотя прямых доказательств использования рычагов при строительстве пирамид нет, их применение представляется вероятным, учитывая сложность и масштаб работ. На рисунке показаны иллюстрация возможного применения рычага при строительстве пирамид, взятая из учебника физики 7 класс под редакцией А.В. Перышкина.
Существует три основных типа рычагов:
- Первый тип характеризуется тем, что точка приложения усилия находится ближе к оси вращения, чем точка приложения нагрузки. Этот тип рычага используется для выигрыша в силе. Примером может служить лопата, где усилие прикладывается ближе к ручке, чем к концу лопаты.
- Второй тип рычага отличается тем, что точка приложения усилия расположена дальше от оси вращения, чем точка приложения нагрузки. Такой рычаг позволяет выиграть в расстоянии. Пример — тачка, где усилие прилагается ближе к колесу, что позволяет поднимать груз с меньшим усилием, но за счёт увеличения расстояния.
- Третий тип рычага имеет точку приложения усилия и точку приложения нагрузки на одинаковом расстоянии от оси вращения. В этом случае ни сила, ни расстояние не увеличиваются, и рычаг служит для изменения направления силы. Примером является качели-балансир, где точки приложения усилий и нагрузок находятся на равном расстоянии от оси вращения.
Рычаг первого типа называется рычаг первого рода — это рычаг, у которого точка опоры расположена между точками приложения сил. В зависимости от расположения точек приложения сил и точки опоры, рычаг первого рода может давать выигрыш как в силе, так и в расстоянии. Графически, рычаг первого рода можно представить так.
Рычаг второго типа называется рычаг второго рода — это рычаг, в котором точки приложения сил расположены по одну сторону от точки опоры. Этот тип рычага даёт выигрыш либо в силе, либо в расстоянии, но не одновременно. Графически, рычаг первого рода можно представить так.
Равновесие рычага достигается тогда, когда сумма моментов сил, вращающих рычаг, равна нулю. Рассмотрим равновесие рычагов показанных на рисунках выше. В качестве оси вращения, относительно которой рассматривается равновесие рычага, выбирают точку опоры рычага $O$ по двум причинам:
— во-первых, рычаг и в самом деле вращается относительно этой оси;
— во-вторых, выбор этой оси вращения позволит избавиться от написания момента силы реакции в правиле моментов, т.к. момент этой силы будет равен нулю.
В данных случаях, сила $\vec{F}_1$ вращает рычаг по часовой стрелке, а сила $\vec{F}_2$ — против часовой стрелки. Это означает, что момент силы $\vec{F}_1$ положительный, а момент силы $\vec{F}_2$ — отрицательный. Запишем правило моментов
$F_1l_1-F_2l_2=0$.
Из этого равенства следует соотношение, которое можно использовать при решении несложных задач (например, задач первой части ЕГЭ по физике)
$F_1l_1=F_2l_2$.
Кстати, из последнего равенства следует, что к большему плечу рычага прикладывается меньшая сила, а к меньшему плечу силы, наоборот, большая сила. Если момент одной из сил больше, чем момент другой силы, то рычаг будет вращаться в направлении меньшей силы до тех пор, пока не наступит равновесие.
Равновесие рычага является фундаментальным принципом механики и имеет широкое применение в различных областях, таких как инженерия, строительство, физика и т. д. Понимание этого принципа позволяет эффективно использовать рычаги для выполнения различных задач.