Рычаг. Типы (виды) рычагов

Дано определение рычага и типов рычагов. Приведены примеры рычагов первого и второго рода, используемые в быту, технике и атлетизме (фитнесе). Описаны: условие равновесия рычага (правило рычага) и золотое правило механики.

Рычаг. Типы (виды) рычагов в технике и фитнесе

Штанга как рычаг 2 рода

Более подробно функционирование опорно-двигательного аппарата человека и биомеханика мышц описаны в книге:

Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека

Рычаги в быту, технике и фитнесе встречаются повсеместно. Опорно-двигательный аппарат (ОДА) человека также можно рассматривать как механическую систему, и важными элементами в этой системе являются кости и суставы конечностей. Благодаря тому, что движения в суставах вращательные, суставы с конечностями можно рассматривать как рычаг. Однако этот вопрос мы рассмотрим несколько позже, а сейчас рассмотрим общие вопросы и примеры рычагов.

Определение рычага

Рычаг представляет собой твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры (оси вращения), на которое действуют, по крайней мере, две силы с противоположными моментами вращения (рис.1). Из определения следует, что рычагом может быть любое твердое тело (например, доска), которое способно вращаться вокруг неподвижной опоры (на рис. 1 ось ращения обозначена буквой О). Силы, действующие на рычаг с противоположными моментами вращения означают, что под действием одной силы рычаг вращается по ходу часовой стрелки, а под действием другой – против.

В ОДА человека рычагом часто выступает звено (предплечье, плечо, голень и т. д.), а осью вращения — сустав, который соединяет это звено с другими звеньями ОДА.

Применение рычага в древности

В древности люди изобрели много простых механизмов, позволяющих получать выигрыш в силе либо в пути. Под простыми механизмами понимаются устройства для преобразования силы. Такими механизмами являются: рычаг, блок, ворот, клин, винт.

Уже в V тысячелетии до н. э. в Месопотамии использовали равноплечий рычаг для создания равновесных весов (рис.2).

В Древнем Египте с использованием рычага строили пирамиды. Это позволяло, имея выигрыш в силе поднимать блоки, из которых возводились пирамиды, весом до 2,5 тонн (рис. 3). В настоящее время рычаги используются во многих областях.

Рис.3. Использование рычагов при строительстве пирамид

Виды (типы рычагов)

Различают два вида рычагов: рычаги первого и второго рода.

В рычаге первого рода действующие силы приложены с разных сторон от точки опоры (точка О), рисунок 4а.

Рис. 4. Рычаги первого (а) и второго (б) рода.

В рычаге второго рода действующие силы расположены по одну сторону от точки опоры (рисунок 4б.

Примеры рычагов

Давайте рассмотрим несколько примеров рычагов.

Примеры рычагов первого рода:

Технические механизмы:

Равновесные весы (рис.1);
Детские качели;
Ножницы;
Весло в академической гребле;
Шлагбаум (рис.5);

Рис. 5. Шлагбаум как пример рычага 1 рода

Тренажеры на основе рычага первого рода:

Пример 1.

В тренажере для развития силы мышц брюшного пресса фирмы Body Solid (рис. 6) ось вращения расположена между двумя силами. Сила тяжести в виде груза действует с одной с одной стороны от оси вращения, а сила тяги мышц спортсмена – с другой.

Рис.6. Тренажер фирмы Body Solid – рычаг первого рода

Пример 2.

Также примером рычага 1 рода является силовой тренажер «Тяга сверху для развития широчайшей мышцы спины» (рис. 7).

Тренажер "Тяга сверху" фирмы Hammer как пример рычага первого рода — Рис.7. Тренажер «Тяга сверху» фирмы Hammer как пример рычага первого рода

Примеры рычагов второго рода:

Технические механизмы:

Доска (брус), используемая для подъема тяжелых предметов (рис. 4б).
Тачка;
Башенный кран;

Примеры тренажеров на основе рычага второго рода:

Тренажер Т-гриф (рис. 8), а также другие силовые тренажеры, как, например, изображенный на рис.9.

Тренажер Т-гриф как пример рычага 2 рода — Рис.8. Тренажер Т-гриф как пример рычага второго рода

Силовой тренажер – пример рычага 2 рода - Разгибание голени сидя — Рис.9. Силовой тренажер – пример рычага второго рода — Жим ногами лежа

Условие равновесия рычага (правило рычага)

Правило рычага открыто Архимедом в III веке до н. э. Оно формулируется следующим образом:

Для того, чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы. Выигрыш в силе, получаемый с помощью рычага, определяется отношением плеч приложенных сил.

Плечо силы — кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.

Правило рычага наглядно демонстрирует рис. 10. Отрезок от точки А до оси вращения О (АО) является плечом силы F1. Обозначим это плечо силы h1, отрезок ОВ является плечом силы F2. Обозначим его h2 (иногда плечо рычага обозначают буквой L). Тогда правило рычага можно представить в виде формулы:

F2/F1 = h1/h2

Чем больше будет плечо h1 по сравнению с плечом h2, тем больший выигрыш в силе мы будем иметь. Например, из рисунка 10 следует, что плечо силы h1 в два раза больше чем h2. Следовательно, выигрыш в силе будет равен 2. Это означает, что бдагодаря большому плечу (h1) мы можем уравновесить рычаг небольшой силой (F1).

Из этой формулы тагже следует, что рычаг находится в равновесии (то есть неподвижен), если силы, приложенные к нему обратно пропорциональны их плечам.

Рис.10. Пример рычага 1 рода для демонстрации правила рычага

Золотое правило механики

Герон Александрийский, живший в I веке н.э., установил закон, который получил название «золотого правила механики».

«Выигрывая с помощью механизма в силе, мы во столько же раз проигрываем в пути и наоборот». Это правило наглядно иллюстрирует рис. 11.

Рис. 11. Схема, иллюстрирующая «золотое правило механики»

Метательные машины древности, например, требушет ярко иллюстрируют это правило (рис.12). В этом случае имеется проигрыш в силе (так как сила прикладывалась воинами на коротком плече рычага), но имелся выигрыш в пути, благодаря которому камни (они размещались на длинном плече рычага) удавалось метнуть очень далеко.

С уважением, А.В. Самсонова

Рычаг. Типы (виды) рычагов