Занятие 4. Рычаги

Раздел Механика на Hobots L

Теория

Рычаг — представляет собой жёсткую палку, имеющую возможность вращаться вокруг точки опоры (подвеса). Части палки от точки опоры до точки приложения сил, называют «плечами» рычага. Относительно точки опоры, места приложения сил могут быть по разные стороны (рычаг I рода) или с одной стороны (рычаг II рода).

Рычаг используется для создания большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече).

Работа рычага также хорошо описывается Золотым правилом механики: "Ни один простой механизм или их комбинация не даёт выигрыша в работе. Во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько раз мы проигрываем в расстоянии".

Примечание: а для шестеренок и колес, которые будем рассматривать далее - выигрыш в силе даёт проигрыш в скорости вращения.

Сборка стенда

Соберем стенд для изучения рычага - устойчивое основание, на котором будет установлена вращающаяся палка. Конструкция похожа на весы:

Далее соберём 4 гирьки. Старайтесь использовать одинаковые детали (например, оси равной или близкой длины), чтобы гирьки были близки по весу:

Чтобы гирьки держались на палке-рычаге (берём самую длинную палку), ставим тройные соединители и такие детали-держатели на них:

Эксперименты с рычагом первого рода

Проведём эксперименты с рычагом. В данный момент наш стенд - рычаг первого рода, так как места приложения сил (соединители, на которые мы вешаем гирьки) находятся по разные стороны от точки опоры (центральной оси, на которой крутится рычаг).

Эксперимент 1: по одной одинаковой гире на одинаковом расстоянии от точки опоры:

Рычаг находится в равновесии - удерживает то положение, в котором установлен, ни одна сторона (плечо рычага) не "побеждает" другую.

Эсперимент 2: одна гиря на одной стороне рычага (на рисунке слева), две гири на другой стороне рычага (на рисунке справа) на одинаковом расстоянии от точки опоры:

Видим, что при одинаковом расстоянии до точки опоры две гири "побеждают" одну. Что нужно сделать, чтобы одна гиря "победила" две?

Эксперимент 3: удлинним плечо рычага со стороны одной гири:

Видим, что одна гиря "победила" две - она приложила бОльшую силу за счёт более длинного рычага. Но при этом она "проиграла" в пройденном расстоянии - чтобы победить, ей пришлось пройти значительно бОльшее расстояние, чем то, на которое она смогла поднять две гири.

Насколько больше так можно увеличивать силу?
Эксперимент 4: попробуем увеличить вес "противника" одной гири, добавив тяжелую гирю из большого колеса и шестерни и все имеющиеся лёгкие гири:

Тяжелый противник победил!
Эксперимент 5: Еще удлиним плечо рычага, чтобы одна гирька перевесила:

Видим, что с помощью рычага большой можно поднять любую тяжесть (при условии, что не разрушится сам рычаг). Это имеет много технических применений.

Эксперименты с рычагом второго рода

В рычаге второго рода места приложения сил находятся с одной стороны от точки опоры. Пример рычага второго рода: тачка, которую везёт человек. Вес груза и поднимающие его руки человека находятся с одной стороны от точки опоры, которой служит колесо:

Модернизируем наш стенд, превратив его в рычаг второго рода. Для этого ось и один из держателей гирек нужно поменять местами.
Эксперимент 1: попробуйте поднять груз с помощью резинки, расположенной в середине рычага:

Эксперимент 2: посмотрим, что будет, если мы передвинем точку приложения силы ближе к точке опоры.

Передвинув точку приложения силы для подъёма ближе к точке опоры, мы получим выигрыш в скорости движения груза, но большой проигрыш в силе – надо приложить большую силу, чтобы передвинуть груз.

Эксперимент 3: поменяем местами гирю и точку приложения силы для подъёма:

Получаем то что поднимаем груз очень легко, но на незначительное расстояние. То есть мы выиграли в силе (поднять груз очень легко), но проиграли в расстоянии (груз поднимается незначительно). Тем не менее, когда груз очень тяжелый (как на тачке на фото выше) - это может быть единственным способом поднять и передвинуть его.

Бонус - конструкция катапульты

Если есть время, из собранного нами рычага можно легко сделать катапульту. Простой вариант:

Более сложный вариант конструкции катапульты на Hobots L. Рекомендуется добавить в рычаг второй ряд длинных палок для более жёсткой конструкции:

Назад в Учебник по робототехническому конструктору Hobots L