Рычаг. Типы (виды) рычагов

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

Рычаг. Типы (виды) рычагов в технике и фитнесе

Штанга как рычаг 2 рода

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.

Рычаг первого рода
Рис. 1. Рычаг

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).

Весы как пример рычага 1 рода
Рис.2. Весы как пример рычага 1 рода

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.

Использование рычагов при строительстве пирамид
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.

Рычаги первого (а) и второго (б) рода.
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);
Шлагбаум как пример рычага 1 рода
Рис. 5. Шлагбаум как пример рычага 1 рода

Тренажеры на основе рычага первого рода:

  • Тренажер для развития силы мышц брюшного пресса фирмы Body Solid (рис. 6).
Тренажер фирмы Body Solid – рычаг первого рода
Рис.6. Тренажер фирмы Body Solid – рычаг первого рода

— Тренажер тяга сверху для развития широчайшей мышцы спины (рис. 7).

Тренажер фирмы Hammer — тяга сверху как пример рычага 1 рода
Рис.7. Тренажер фирмы Hammer — тяга сверху как пример рычага 1 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 2 рода

 

Силовой тренажер – пример рычага 2 рода - Разгибание голени сидя
Рис.9. Силовой тренажер – пример рычага 2 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.

Пример рычага 1 рода для демонстрации правила рычага
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.

Схема, иллюстрирующая «золотое правило механики»
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.

Требушет
Рис.12. Требушет — устройство для метания камней. Имеется проигрыш в силе, но выигрыш в пути.

С уважением, А.В. Самсонова

Похожие записи:


Сила тяжести
Дано определение силы тяжести. Показано, что сила тяжести являетс ячастны случаем силы гравитации. Описаны факторы, определяющие силу тяжести:…

Сила
Дано определение силы в механике. Описаны факторы, определяющие действие на тело силы: направление, точка приложения и численное значение.

Звенья тела человека как рычаги
Дано описание опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека как системы рычагов. Приведен пример расчета силы двуглавой мышцы плеча…

Способ определения положения центров масс (центров тяжести) звеньев тела человека
Описан способ определения положения центров масс (центров тяжести, ЦТ) звеньев тела человека по Вильгельму Брауне и…

Распределение масс в теле человека
Описаны особенности распределения масс в теле человека. Дано понятие геометрии масс тела человека. Показано, что на…

Центр масс и центр тяжести тела
Описаны: центр масс (ЦМ) и центр тяжести (ЦТ) твердого тела. Приведены различные определения ЦМ и ЦТ тела. Показано…