Физика • 7 класс § 53

§ 53. Рычаг. Равновесие сил на рычаге

Учебник: Физика. 7 класс (А. В. Пёрышкин, А. И. Иванов). Программа ФГОС.
К разделам:

Термины и понятия параграфа 5

Термин Физика • 7 класс § 53

Рычаг

любое твердое тело, которое может совершать вращательное движение вокруг неподвижной оси или точки опоры:

  • 1. Физическая сущность — недеформируемый стержень, балка или брус, преобразующий приложенные внешние усилия во вращающий момент вокруг закрепленной оси или призматической опоры.
  • 2. Распространенность в быту и технике — лом, монтировка, гвоздодер, ножницы, клещи, весло лодки, педали велосипеда, клавиша пианино, стрела подъемного крана.
Термин Физика • 7 класс § 53

Рычаг первого рода

рычаг, у которого точки приложения действующих сил находятся по разные стороны от неподвижной оси вращения (точки опоры):

  • 1. Характер действия сил — при равновесии обе действующие силы направлены в одну сторону (например, обе вертикально вниз), но стремятся повернуть рычаг в противоположные стороны: одна сила вращает по ходу часовой стрелки, а вторая — против хода часовой стрелки.
  • 2. Примеры механизмов — детские качели-балансир, аптекарские чашечные весы, ножницы, гвоздодер, лом при опоре на подставку между руками человека и поднимаемым камнем.
Термин Физика • 7 класс § 53

Рычаг второго рода

рычаг, у которого точки приложения действующих сил находятся по одну сторону от неподвижной оси вращения (точки опоры):

  • 1. Характер действия сил — при равновесии действующие силы направлены в противоположные стороны (одна сила направлена вверх, другая — вниз).
  • 2. Примеры механизмов — строительная тачка (ось колеса является точкой опоры, груз расположен посередине кузова, руки рабочего поднимают рукоятки вверх), щипцы для колки орехов, подъем плиты ломом при упоре его нижнего конца в грунт, предплечье человека.
Термин Физика • 7 класс § 53

Линия действия силы и плечо силы

  • 1. Линия действия силы — бесконечная прямая линия, в направлении которой действует приложенный к телу вектор силы $\vec{F}$.
  • 2. Плечо силы ($l$) — длина перпендикуляра, проведенного от оси вращения (или точки опоры) рычага к линии действия данной силы.
  • 3. Алгоритм нахождения плеча силы:
  • через вектор силы провести прямую (линию действия силы);
  • из точки опоры (оси вращения рычага) опустить геометрический перпендикуляр на эту прямую под углом $90^\circ$;
  • измерить длину получившегося перпендикулярного отрезка.
  • 4. Единица измерения — в Международной системе единиц (СИ) плечо силы измеряется в метрах ($\text{м}$).
Термин Физика • 7 класс § 53

Правило (условие) равновесия рычага (правило Архимеда)

  • 1. Формулировка закона — рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил:

$$\frac{F_1}{F_2} = \frac{l_2}{l_1},$$

где $F_1$ и $F_2$ — модули действующих на рычаг сил, $l_1$ и $l_2$ — плечи соответствующих сил.

  • 2. Физический смысл выигрыша в силе — используя рычаг, можно меньшей силой уравновесить значительно большую силу. Выигрыш в силе равен отношению плеч:

$$\frac{F_2}{F_1} = \frac{l_1}{l_2}.$$

Во сколько раз плечо приложенной силы длиннее плеча силы тяжести груза, во столько раз меньшую силу требуется приложить.

  • 3. Равноплечий рычаг — если плечи сил равны ($l_1 = l_2$), то для равновесия силы должны быть строго равны ($F_1 = F_2$), следовательно, равноплечий рычаг не дает выигрыша в силе.

Исторические личности параграфа 1

Личность Физика • 7 класс § 53
Архимед (ок. 287–212 до н. э.)

Архимед (ок. 287–212 до н. э.)

Древнегреческий учёный, великий математик, физик и механик античности, основоположник теоретической статики. Впервые дал строгое математическое обоснование правила равновесия рычага и создал теорию простых механизмов, позволяющих получить выигрыш в силе.

  • Сформулировал и математически доказал фундаментальное правило равновесия рычага: рычаг находится в равновесии, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам этих сил (F₁ / F₂ = l₂ / l₁).
  • Экспериментально доказал, что с помощью рычага можно уравновесить и поднять сколь угодно тяжёлый груз малой силой за счёт выигрыша в расстоянии, увеличивая плечо приложения действующей силы.
  • Осознавая практическое могущество рычажных механизмов, произнёс знаменитые крылатые слова: «Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!», а также сконструировал винтовой водоподъёмный механизм (архимедов винт).

Ответы на вопросы учебника 6

Вопрос учебника #1 Физика • 7 класс § 53

Что называют рычагом? Приведите примеры рычагов.

Рычагом называют любое твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси или точки опоры.

Примеры рычагов:

  • В быту и ручных инструментах: лом, гвоздодёр, монтировка, ножницы, клещи, кусачки, плоскогубцы, щипцы для колки орехов, гаечный ключ, дверная ручка, клавиша настенного выключателя, штопор, открывалка для бутылок.
  • В технике и механизмах: весло лодки, педали и руль велосипеда, рычаг переключения передач в автомобиле, колодезный ворот, стрела подъемного крана, ковш гидравлического экскаватора, детские качели-балансир.
  • В анатомии живых организмов: кости скелета человека и животных (кости предплечья при сгибании руки, нижняя челюсть, фаланги пальцев, кости стопы).
Вопрос учебника #2 Физика • 7 класс § 53

Дайте определение плеча силы.

Плечом силы называют длину перпендикуляра, проведённого от оси вращения (или точки опоры) рычага до линии действия силы.

  • Линией действия силы называется прямая, вдоль которой ориентирован вектор силы.
  • Плечо силы обозначается латинской буквой $l$ (или $d$) и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в метрах ($\text{м}$).
Вопрос учебника #3 Физика • 7 класс § 53

Составьте правило нахождения плеча силы.

Алгоритм нахождения плеча силы:

  • Шаг 1: Провести линию действия силы — мысленно или графически продолжить прямую линию вдоль направления вектора действующей силы в обе стороны.
  • Шаг 2: Найти на чертеже или реальном механизме точку опоры (ось вращения рычага $O$).
  • Шаг 3: Из точки опоры опустить перпендикуляр на построенную линию действия силы (под прямым углом $90^\circ$).
  • Шаг 4: Измерить длину полученного отрезка перпендикуляра — эта длина и представляет собой плечо данной силы ($l$).

Важное физическое примечание: плечо силы совпадает с длиной плеча самого рычага только тогда, когда вектор силы направлен строго перпендикулярно продольной оси рычага. Если сила приложена под углом, длина перпендикуляра всегда меньше геометрической длины стержня.

Вопрос учебника #4 Физика • 7 класс § 53

Сформулируйте правило равновесия рычага.

Правило равновесия рычага (установленное Архимедом):

Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Математически это правило записывается в виде пропорции:

$$\frac{F_1}{F_2} = \frac{l_2}{l_1},$$

где:

  • $F_1$ и $F_2$ — действующие на рычаг силы;
  • $l_1$ и $l_2$ — плечи соответствующих сил.

Данное правило справедливо как для рычагов первого рода, так и для рычагов второго рода. Согласно этому правилу, используя рычаг, можно меньшей силой уравновесить бо́льшую силу: во сколько раз плечо приложенной силы длиннее плеча нагрузки, во столько же раз меньшая сила требуется для удержания или подъема тела.

Вопрос учебника #5 Физика • 7 класс § 53

Когда палку держат в руках за концы, то её трудно переломить. Если же середину палки положить на подставку, то переломить палку будет легче. Почему?

Физическое объяснение с точки зрения правила рычага:

  • Когда палку держат за концы в руках:
  • Человек пытается согнуть или сломать палку, прикладывая мышечные усилия кистей рук навстречу друг другу. В этом случае расстояние между точками приложения противоположно направленных сил очень мало (оно ограничено шириной ладоней), плечо изгибающего момента невелико, и чтобы создать разрушающее напряжение в древесине, требуется огромное мышечное усилие.
  • Когда середину палки кладут на жесткую подставку (или колено):
  • Точка контакта с подставкой превращается в неподвижную точку опоры рычага (рычаг первого рода).
  • Руки человека прикладывают силы к самым дальним краям палки, создавая максимально длинные плечи сил ($l$).
  • Согласно правилу равновесия рычага, сила излома в точке опоры $F_{\text{изл}}$ во столько раз превосходит силу рук $F_{\text{рук}}$, во сколько длина половины палки (плечо силы рук) превосходит радиус сечения палки (плечо сил внутреннего сопротивления волокон древесины):

$$F_{\text{изл}} = F_{\text{рук}} \cdot \frac{l}{\Delta r}.$$

Благодаря многократному выигрышу в силе за счет длинного плеча, даже умеренное нажатие руками вызывает в древесине колоссальные напряжения, превосходящие предел прочности материала, и палка легко ломается.

Вопрос учебника #6 Физика • 7 класс § 53

Докажите, что равноплечий рычаг не даёт выигрыша в силе.

Строгое математическое доказательство:

  • Исходное условие равноплечего рычага:

По определению, у равноплечего рычага плечи действующих сил равны между собой:

$$l_1 = l_2.$$

  • Использование формулы равновесия рычага:

Запишем пропорцию Архимеда для равновесия рычага:

$$\frac{F_1}{F_2} = \frac{l_2}{l_1}.$$

  • Подстановка равенства плеч:

Поскольку $l_1 = l_2$, их отношение строго равно единице:

$$\frac{l_2}{l_1} = 1 \implies \frac{F_1}{F_2} = 1 \implies F_1 = F_2.$$

  • Определение выигрыша в силе:

Коэффициент выигрыша в силе $k$ равен отношению преодолеваемой нагрузки $F_2$ к прикладываемой силе $F_1$:

$$k = \frac{F_2}{F_1} = \frac{l_1}{l_2} = 1.$$

  • Вывод:

Равноплечий рычаг требует приложения точно такой же силы, какой обладает удерживаемый груз ($F_1 = F_2$), следовательно, выигрыша в силе он не дает ($k = 1$).

Практическое применение: именно по этой причине равноплечие рычаги применяются в лабораторных и аптекарских аналитических весах, где равенство плеч гарантирует абсолютное равенство массы взвешиваемого образца и массы эталонных разновесов.