Mashine za kisasa zina muundo changamano. Hata hivyo, kanuni ya uendeshaji wa mifumo yao inategemea matumizi ya taratibu rahisi. Mmoja wao ni lever. Inawakilisha nini kutoka kwa mtazamo wa fizikia, na pia, chini ya hali gani ni lever katika usawa? Tutajibu maswali haya na mengine katika makala.
Lever katika fizikia
Kila mtu ana wazo nzuri ni aina gani ya utaratibu. Katika fizikia, lever ni muundo unaojumuisha sehemu mbili - boriti na msaada. Boriti inaweza kuwa ubao, fimbo, au kitu chochote kigumu chenye urefu fulani. Msaada, ulio chini ya boriti, ni hatua ya usawa ya utaratibu. Inahakikisha kwamba lever ina mhimili wa kuzunguka, kuigawanya katika mikono miwili na kuzuia mfumo kusonga mbele katika nafasi.
Ubinadamu umekuwa ukitumia lever tangu zamani, haswa kuwezesha kazi ya kuinua mizigo mizito. Walakini, utaratibu huu una matumizi zaidi. Kwa hivyo inaweza kutumika kutoa mzigo msukumo mkubwa. Mfano mkuu wa maombi kama hayani manati za zama za kati.
Lazimisha kutenda kwenye lever
Ili kurahisisha kuzingatia nguvu zinazotumika kwenye mikono ya lever, zingatia takwimu ifuatayo:
Tunaona kuwa utaratibu huu una mikono ya urefu tofauti (dR<dF). Vikosi viwili vinatenda kwenye kando ya mabega, ambayo yanaelekezwa chini. Nguvu ya nje F inaelekea kuinua mzigo R na kufanya kazi muhimu. Mzigo R unapinga lifti hii.
Kwa hakika, kuna nguvu ya tatu inayofanya kazi katika mfumo huu - majibu ya usaidizi. Hata hivyo, haizuii au kuchangia kuzunguka kwa lever kuzunguka mhimili, inahakikisha tu kwamba mfumo mzima hausongi mbele.
Kwa hivyo, mizani ya lever imedhamiriwa na uwiano wa nguvu mbili pekee: F na R.
Hali ya usawa wa utaratibu
Kabla ya kuandika fomula ya mizani ya lever, hebu tuzingatie sifa moja muhimu ya kimwili ya mwendo wa mzunguko - wakati wa nguvu. Inaeleweka kama bidhaa ya bega d na nguvu F:
M=dF.
Mchanganyiko huu ni halali wakati nguvu F inafanya kazi kwa kulenga mkono wa lever. Thamani d inaelezea umbali kutoka kwa fulcrum (mhimili wa mzunguko) hadi hatua ya utumiaji wa nguvu F.
Tukikumbuka tuli, tunakumbuka kuwa mfumo hautazunguka kuzunguka shoka zake ikiwa jumla ya matukio yake yote ni sawa na sifuri. Wakati wa kupata jumla hii, ishara ya wakati wa nguvu inapaswa pia kuzingatiwa. Ikiwa nguvu inayohusika inaelekea kugeuka kinyume na saa, basi wakati inaunda itakuwa chanya. Vinginevyo, unapohesabu muda wa nguvu, ichukue kwa ishara hasi.
Tunaweka sharti lililo hapo juu la msawazo wa kuzunguka kwa lever, tunapata usawa ufuatao:
dRR - dFF=0.
Kubadilisha usawa huu, tunaweza kuiandika hivi:
dR/dF=F/R.
Neno la mwisho ni fomula ya usawa wa leva. Usawa unasema kwamba: kadiri matumizi ya dF yakilinganishwa na dR, nguvu ndogo F itahitajika kutumika kusawazisha mzigo R.
Mchanganyiko wa usawazishaji wa lever iliyotolewa kwa kutumia dhana ya wakati wa nguvu ilipatikana kwa majaribio na Archimedes huko nyuma katika karne ya 3 KK. e. Lakini aliipata kwa uzoefu pekee, kwani wakati huo dhana ya wakati wa nguvu ilikuwa haijaanzishwa katika fizikia.
Hali iliyoandikwa ya salio la lever pia huwezesha kuelewa kwa nini utaratibu huu rahisi unatoa ushindi kwa njia au kwa nguvu. Ukweli ni kwamba unapogeuza mikono ya lever, umbali mkubwa husafiri kwa muda mrefu. Wakati huo huo, nguvu ndogo hufanya juu yake kuliko kwa muda mfupi. Katika kesi hii, tunapata faida kwa nguvu. Ikiwa vigezo vya mabega vimeachwa sawa, na mzigo na nguvu zimebadilishwa, basi utapata faida njiani.
Tatizo la usawa
Urefu wa boriti ya mkono ni mita 2. Msaadaiko umbali wa mita 0.5 kutoka mwisho wa kushoto wa boriti. Inajulikana kuwa lever iko katika usawa na nguvu ya 150 N inafanya kazi kwenye bega lake la kushoto. Ni molekuli gani inapaswa kuwekwa kwenye bega la kulia ili kusawazisha nguvu hii.
Ili kutatua tatizo hili, tunatumia kanuni ya mizani iliyoandikwa hapo juu, tunayo:
dR/dF=F/R=>
1, 5/0, 5=150/R=>
R=50 N.
Kwa hivyo, uzito wa mzigo unapaswa kuwa sawa na 50 N (usichanganyike na wingi). Tunatafsiri thamani hii katika misa inayolingana kwa kutumia fomula ya mvuto, tunayo:
m=R/g=50/9, 81=5.1kg.
Mwili wenye uzani wa kilo 5.1 pekee utasawazisha nguvu ya N150 (thamani hii inalingana na uzito wa mwili wenye uzito wa kilo 15.3). Hii inaonyesha kupata nguvu mara tatu.
