Як працює важіль?
Важіль — один із найдавніших і найпростіших інструментів, які будь-коли винаходили. Маючи лише дошку й камінь, ви можете підняти щось набагато важче, ніж змогли б голіруч. Ось у чому секрет.
Три частини важеля
Кожен важіль має рівно три частини:
- Точка опори (вісь обертання): точка, на якій важіль балансує — як середина гойдалки-балансира.
- Навантаження: важкий предмет, який ви хочете перемістити.
- Зусилля: сила, яку ви прикладаєте до іншого боку.
Важіль перебуває в рівновазі (жоден бік не падає), коли:
Це називають правилом важеля. Якщо d₂ (відстань від опори до місця, де ви натискаєте) більша за d₁, вам потрібно менше зусилля, щоб підняти навантаження. Магія!
Механічна перевага
Механічна перевага — це відношення навантаження до зусилля, яке ви насправді прикладаєте:
Приклад: якщо опора розташована за 0.5 m від навантаження і за 2 m від місця, де ви натискаєте, механічна перевага дорівнює 2 ÷ 0.5 = 4. Вам потрібно натиснути лише 1⁄4 ваги навантаження. Каменю масою 40 kg потрібно лише 10 kg зусилля!
Утім, є компроміс: ваш кінець доводиться штовхати далі, щоб підняти навантаження на меншу відстань. Важелі обмінюють відстань на силу — ніщо не дається задарма.
Покладіть лінійку на олівець (точку опори). Покладіть невеликий вантаж на один кінець. Спробуйте посувати олівець ближче чи далі від вантажу — зверніть увагу, як стає важче або легше піднімати його пальцем.
«Дайте мені достатньо довгий важіль…»
Давньогрецький математик Архімед (287–212 рр. до н. е.) розумівся на важелях так добре, що зробив надзвичайну заяву:
«Дайте мені точку опори, достатньо довгий важіль і опору — і я зрушу Землю».
Він мав рацію! За важеля потрібної довжини необхідна сила була б крихітною. Звісно, практична проблема в тому, що в космосі немає на що стати, а щоб зрушити Землю бодай на міліметр, цей важіль довелося б штовхати на астрономічну відстань!
Три класи важелів
Залежно від того, як точка опори, навантаження та зусилля розташовані одне відносно одного, існує три типи важелів:
Клас 1
Опора посередині. Може помножувати силу або швидкість. Приклади: гойдалка-балансир, ножиці, плоскогубці, лом.
Клас 2
Навантаження посередині. Завжди помножує силу (МП > 1). Приклади: тачка, лускоріх, відкривачка для пляшок.
Клас 3
Зусилля посередині. Помножує швидкість/відстань, а не силу. Приклади: пінцет, вудка, передпліччя.
Важелі довкола вас
Щойно ви знатимете, на що звертати увагу, помічатимете важелі усюди:
Дверна ручка — опорою є завіса, довга ручка = менше сили
Ножиці — два важелі класу 1 зі спільною точкою опори
Лопата — важіль класу 3; помножує розмах, а не силу
Ваше передпліччя — лікоть є опорою; біцепс прикладає зусилля
Клавіша піаніно — крихітне натискання швидко рухає важкий молоточок
Гальмо велосипеда — важіль помножує силу пальця