Формула плеча силы. Момент силы: правило и применение Что такое плечо силы рычага

Почти две тысячи лет просуществовало правило рычага, открытое Архимедом еще в третьем веке до нашей эры, пока в семнадцатом веке с легкой руки французского ученого Вариньона не получило более общую форму.

Правило момента сил

Было введено понятие момента сил. Момент силы - это физическая величина, равная произведению силы на ее плечо:

где M - момент силы,
F - сила,
l - плечо силы.

Из правила равновесия рычага напрямую вытекает правило моментов сил:

F1 / F2 = l2 / l1 или, по свойству пропорции F1 * l1= F2 * l2, то есть M1 = M2

В словесном выражении правило моментов сил звучит следующим образом: рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки. Правило моментов сил справедливо для любого тела, закрепленного вокруг неподвижной оси. На практике момент силы находят следующим образом: по направлению действия силы проводят линию действия силы. Потом из точки, в которой находится ось вращения, проводят перпендикуляр до линии действия силы. Длина этого перпендикуляра будет равняться плечу силы. Умножив значение модуля силы на ее плечо, получаем значение момента силы относительно оси вращения. То есть, мы видим, что момент силы характеризует вращающее действие силы. Действие силы зависит и от самой силы и от ее плеча.

Применение правила моментов сил в различных ситуациях

Отсюда вытекает применение правила моментов сил в различных ситуациях. Например, если мы открываем дверь, то толкать ее мы будем в районе ручки, то есть, подальше от петель. Можно проделать элементарный опыт и убедиться, что толкать дверь тем легче, чем дальше мы прилагаем силу от оси вращения. Практический эксперимент в данном случае прямо подтверждается формулой. Так как, дабы моменты сил при разных плечах были равны, надо, чтобы большему плечу соответствовала меньшая сила и наоборот, меньшему плечу соответствовала большая. Чем ближе к оси вращения мы прилагаем силу, тем она должна быть больше. Чем дальше от оси мы воздействуем рычагом, вращая тело, тем меньшую силу нам необходимо будет приложить. Числовые значения легко находятся из формулы для правила моментов.

Именно исходя из правила моментов сил мы берем лом или длинную палку, если нам надо приподнять что-то тяжелое, и, подсунув под груз один конец, тянем лом возле другого конца. По этой же причине шурупы мы вворачиваем отверткой с длинной ручкой, а гайки закручиваем длинным гаечным ключом.

Рассмотрим рычаг с осью вращения находящийся в точке О. (рис.1). Силы ${\overline{F}}_1$ и ${\overline{F}}_2$, действующие на рычаг направлены в одну сторону.

Минимальное расстояние между точкой опоры (точка О) и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называют плечом силы.

Для нахождения плеча силы следует из точки опоры опустить перпендикуляр к линии действия силы. Длинна данного перпендикуляра и станет плечом рассматриваемой силы. Так, на рис.1 расстояние $\left|OA\right|=d_1$- плечо силы $F_1$; $\left|OA\right|=d_2$- плечо силы $F_2$.

Рычаг находится в состоянии равновесия, если выполняется равенство:

\[\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}\left(1\right).\]

Предположим, что материальная точка движется по окружности (рис.2) под действием силы $\overline{F}$ (сила действует в плоскости движения точки). В таком случае угловое ускорение ($\varepsilon $) точки определяется тангенциальной составляющей ($F_{\tau }$) силы $\overline{F}$:

где $m$ - масса материальной точки; $R$ - радиус траектории движения точки; $F_{\tau }$ - проекция силы на направление скорости движения точки.

Если угол $\alpha $ - это угол между вектором силы $\overline{F}$ и радиус - вектором $\overline{R}$, определяющим положение рассматриваемой материальной точки (Этот радиус- вектор проведен из точки О в точку А на рис.2), тогда:

Расстояние $d$ между центром O и линией действия силы $\overline{F}$ называют плечом силы. Из рис.2 следует, что:

Если на точку будет действовать сила ($\overline{F}$), направленная по касательной к траектории ее движения, то плечо силы будет равно $d=R$, так как угол $\alpha $ станет равен $\frac{\pi }{2}$.

Момент силы и плечо

Понятие плечо силы иногда используют, для записи величины момента силы ($\overline{M}$), который равен:

\[\overline{M}=\left[\overline{r}\overline{F}\right]\left(5\right),\]

где $\overline{r}$ - радиус - вектор проведенный к точке продолжения силы$\ \overline{F}$. Модуль вектора момента силы равен:

Построение плеча силы

И так, плечом силы называют длину перпендикуляра, который проводят из некоторой выбранной точки, иногда ее называют полюсом (выбираемой произвольно, но при рассмотрении одной задачи один раз). При рассмотрении задач точку О выбирают обычно на пересечении нескольких сил) к силе (рис.3 (а)). Если точка О будет лежать на одной прямой с силами или на самой силе, то плечи сил будут равны нулю.

Если перпендикуляр не получается построить, то вектор силы продлевают в нужном направлении, после этого строят перпендикуляр (рис.3 (б)).

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Какова масса меньшего тела ($m_1$), если его уравновешивает тело массой $m_2={\rm 2\ }$кг? Тела находятся на невесомом рычаге (рис.3) отношение плеч рычага 1:4?

Решение. Основой решения задачи является правило равновесия рычага:

\[\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}\left(1.1\right),\]

где силы, действующие на концы рычага равны по модулю силам тяжести, которые действуют на тела, следовательно, формулу (1.1) перепишем в виде:

\[\frac{m_1g}{m_2g}=\frac{d_2}{d_1}\to \frac{m_1}{m_2}=\frac{d_2}{d_1}\left(1.2\right).\]

Из выражения (1.2) получим искомую массу $m_1$:

Вычислим искомую массу:

Ответ. $m_1=0,5\ кг$

Пример 2

Задание. Однородный стержень длинной $l\ $и массой $M$ расположен горизонтально. Один конец стержня в точке А закреплён так, что может вращаться вокруг этой точки, другой конец опирается на наклонную плоскость, угол наклона которой к горизонту равен $\alpha $. На стержне на расстоянии $b\ $от точки А лежит небольшой груз. Каковы плечи сил, действующих на стержень?

Решение. Изобразим на рис.4 силы, действующие на стержень. Это: сила тяжести: $M\overline{g}$, вес груза, расположенного на нем $\overline{P}=m_1\overline{g}$, сила реакции наклонной плоскости: $\overline{N}$; сила реакции опоры в точке A: $\overline{N}"$.

Плечи сил будем искать относительно точки A. Плечо силы $\overline{N"}$ будет равно нулю, так как сила приложена к стержню в точке А:

Плечо другой силы реакции опоры ($\overline{N}$) равно длине перпендикуляра AC:

Плечо силы $M\overline{g}$ из рис.4 , так как сила тяжести приложена к центру масс стержня, который для однородного стержня находится на его середине:

Плечо силы $m_1\overline{g},$ учитывая, что груз маленький и принимая его за материальную точку, равно:

Ответ. $d_{N"}=0;;\ d_N=l{sin (90-\alpha)\ }=l{cos \alpha \ \left(м\right),\ }d_{Mg}=\frac{l}{2},\ d_{m_1g}=b$

Единицы измерения момента силы:

СИ - Н·м
СГС - дин·см

С вращателным движением объектов неразрывно связано понятие приложения момента силы .

Наверняка, многие знают жизненную аксиому - чем длиннее рычаг, тем легче сдвинуть груз. Если переложить этот процесс на язык физики, то можно сказать, что применение силы с помощью рычага характеризуется моментом силы.

Для уравновешивания весов-качелей, изображенных на рисунке, важна не только величина прикладываемой силы, но и место, где она приложена. Расстояние от точки приложения силы до точки вращения называется плечом силы .

Никогда не задумывались над вопросом, почему нельзя открыть дверь, если толкать ее в месте крепления (у петель)?

Предположим, что перед нами стоит задача открыть дверь шириной 1 метр при помощи силы в 100 Н. Силу будем прикладывать в трех местах:

F1 - возле петель (L=0);
F2 - посредине двери (L2=0,5 м);
F3 - у края двери (L3 = 1 м).

В первом случае, поскольку плечо силы равно нулю, произведение этого плеча на силу любой величины даст нулевой момент силы (поэтому, дверь нельзя открыть, толкая ее у петель).

Во втором случае:

M = F·L = 100·0,5 = 50 Н·м

Во третьем случае:

M = F·L = 100·1 = 100 Н·м

Из сказанного выше можно сделать вывод, что увеличение в два раза длины плеча при одной и той же прикладываемой силе дает такое же увеличение момента силы (проигрываем в расстоянии - выигрываем в силе, и наоборот: выигрываем в расстоянии - проигрываем в силе).

Рассмотрим вариант, когда сила прикладывается под углом.

Как в таком случае вычислить необходимый момент силы для открытия дверей, ведь определить плечо сил, как это было раньше, не получится.

Чтобы решить поставленную задачу, необходимо руководствоваться правилом: плечом силы называется длина перпендикуляра, опущенного из предполагаемой точки вращения на прямую, относительно которой действует сила .

Для определения плеча силы необходимо продлить линию, вдоль которой действует сила, а потом опустить на нее перпендикуляр из точки вращения. Получился прямоугольный треугольник, используя тригонометрические функции, можно найти искомое плечо силы: L·sinΘ

Предположим, что сила приложена под углом Θ = 45°

M = F·L·sinΘ = 100·1·sin45° = 70 Н·м

Исходя из вышесказанного, становится понятным, что открыть дверь не удастся, если приложить силу с углом Θ = 0°, т.е., параллельно двери (в ее торец). Дело в том, что у такой силы нет проекции, которая бы могла вызвать вращательное движение (говорят, что у такой силы нет ненулевого плеча для создания вращательного момента силы).

Момент силы является векторной величиной. Направление действия момента силы вычисляется по правилу правой руки (аналогично определению направления вектора угловой скорости).

Правило правой руки : если ладонью правой руки охватить ось вращения, таким образом, чтобы пальцы руки совпадали с направлением приложенной силы, то, вытянутый большой палец будет указывать направление вектора момента силы.

Плечо силы - это длина перпендикуляра из некоторой вымышленной точки О к силе. Вымышленный центр, точку О, будем выбирать произвольно, моменты каждой силы определяем относительно этой точки. Нельзя для определения моментов одних сил выбрать одну точку О, а для нахождения моментов других сил выбрать ее в другом месте!

На камень действуют сила тяжести, сила трения, сила реакции опоры, две дополнительные внешние силы F 1 и F 2

Выбираем точку О в произвольном месте, больше ее местоположение не изменяем. Тогда плечо силы тяжести - это длина перпендикуляра (отрезок d) на рисунке

Плечо силы реакции опоры определяется аналогично

Если перпендикуляр нет возможности построить, то вектор силы продлевается в необходимом направлении, после чего строим перпендикуляр к этой линии. Плечо силы F 2

Плечо силы F 1

Осталась сила трения! Если точка О и сила лежат на одной линии, то плечо этой силы равно нулю. Плечо силы трения равно нулю.

При решении задач выгодно точку О выбирать в точке пересечения нескольких сил. Тогда плечи всех этих сил будут нулевыми. Например, если точку О в предыдущем примере выбрать иначе, то плечи сил будут иными.

Плечи сил F 1 , F 2 и силы тяжести равны нулю, так как точка О лежит с ними на одной прямой (или на самой силе). Плечо силы реакции опоры - это длина d 1 . Плечо силы трения - это длина d 2 .

Момент силы

Это векторная величина , определяется по формуле

Направление вектора момента силы определяется следующим образом. Представляем в какую сторону сила пытается повернуть (тащить) тело относительно точки О, если тело с точкой О закреплены осью. Если по часовой стрелки, то вектор имеет знак "+", если против часовой, тогда знак "-".