Механизмы, работающие на основе правила моментов с примерами

Механизмы, работающие на основе правила моментов:

Простые механизмы: рычаг, подвижные и неподвижные блоки, ворота, лебедки. Обратите внимание на то, что у всех этих механизмов есть оси вращения.

Для того чтобы такие тела находились в равновесии, недостаточно чтобы векторная сумма всех действующих сил была равна нулю. Очень важно, насколько далеко находится точка приложения сил от оси вращения.
Самое короткое расстояние от точки приложения сил до оси вращения называется плечом сил. При этом сила и плечо силы всегда взаимно перпендикулярны.

Произведение силы на плечо силы называется моментом сил: 

Единица измерения момента сил

Тело под воздействием момента сил поворачивается вокруг оси вращения. При этом момент силы, действующей на тело, похож на действие парных сил. Под парными силами понимаются силы, имеющие противоположные направления, равные по величине, но не лежащие на одной оси.

В качестве примера можно привести поворот руля автомобиля (рисунок 4.6). Ось вращения находится в центре руля, на него действует парные силы .
Итоговый момент силы находится путем сложения моментов, поворачивающих руль в одну сторону.

Если на тело, имеющее ось вращения, действуют несколько сил, то итоговый момент находится путем сложения моментов этих сил. При этом моменты сил, вращающих тело по часовой стрелке, берутся с положительным знаком, моменты сил, вращающие тело против часовой стрелки, берутся с отрицательным знаком.

На рисунке 4.7 приводится масштабная линейка, подвешенная через ось на штатив, и грузы, установленные на разных расстояниях. Здесь грузы весом , установленные в точке на расстоянии  от оси вращения, создают момент сил, вращающий линейку по часовой стрелке. Грузы весом , установленные в точке на расстоянии от оси вращения, создают момент сил, вращающий линейку против часовой стрелки. Чтобы найти итоговый момент силы, суммируем моменты сил, действующих на тела, с учетом их знаков:

То есть, чтобы тело оставалось в равновесии, должно выполняться условие .

Из условия равновесия тел, имеющих ось вращения, следует:
Тело, имеющее ось вращения, остается в равновесии, если векторная сумма моментов действующих на него сил равна нулю:

Это правило сформулировано Архимедом и называется правилом моментов. К простым механизмам, работающим на основе правила моментов, относятся: рычаг, неподвижный и подвижный блоки, ворот, винт (домкрат).

Рычаг:

На практике применяют три вида рычага (рис. 4.8).

В двухплечном рычаге (рис. 4.8а) опора находится между точками приложения сил.

В одноплечном рычаге (рис. 4.8б) опора находится на конце рычага, груз ставится на второй конец рычага. Удерживающая сила приложена между опорой и точками размещения груза. В этом случае силы направлены в противоположном направлении. Рука человека, приспособление для колки орехов могут быть примерами (рис. 4.9).

В случае третьего вида рычага (рис. 4.8в) опора находится на одном конце рычага, а груз размещают между опорой и точкой, куда приложена удерживающая сила. Здесь силы также направлены противоположно. Ручные тачки, ухват могут служить примерами (рис. 4.10).

Блоки:

В быту и технике часто применяют блоки, в частности используют комплекс неподвижных и подвижных блоков. В комплексе блоки соединяются между собой и создают степенной полиспаст.

На рисунке 4.11 изображен степенной полиспаст. В степенном полиспасте вес груза, подвешенного к полиспасту, распределяется между несколькими тросами.

В зависимости от того, сколько будет тросов в системе, во столько раз меньше потребуется сил, чтобы поднять груз.