ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИЧИНА РАБОТЫ РЫЧАГА

Дата публикации: 27 августа 2017
Публикатор: Зубаиров Юнус Фариттович
Рубрика: ВОПРОСЫ НАУКИ →
Номер публикации: №1503837223 / Жалобы? Ошибка? Выделите проблемный текст и нажмите CTRL+ENTER!

    ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИЧИНА РАБОТЫ РЫЧАГА

 В современном мире принцип действия рычага используется повсеместно. Любой механизм, преобразующей механическое движение, в том или ином виде использует рычаги. Подъемные краны, двигатели, плоскогубцы, ножницы, а также тысячи других механизмов и инструментов используют рычаги в своей конструкции.

Крупный ученый древности Архимед (287-212 г.г. до н. э.) установил правило рычага. Выигрыш в силе, получаемой с помощью рычага, определяется отношением плеч приложенных сил. В этом состоит правило рычага. Согласно правилу рычага плечо меньшей силы должно быть длиннее плеча большей силы.

Автор этой статьи считает, что хотя это правило безусловно правильное, но такая машина как рычаг без физической причины не будет работать. Физической причиной работы рычага является деформация тел. При деформации, как известно из закона Гука, возникающие силы упругости прямо пропорциональны приложенной силе. А силы упругости являются межатомными силами притяжения.

В самом деле, рассмотрим работу рычага. Обратим внимание, что на первый взгляд в работе рычага имеются парадоксы. Эти парадоксы находят решение если мы воспользуемся для объяснения теорией упругости.

Вот эти парадоксы.

А.                            Б.                                                              С.

!_______________!_______________!________________!                                                                                        

Рис. № 2.                     

На рисунке № 2 нарисован рычаг.  АБ – плечо нагрузки. БС – плечо силы. Как видно из рисунка, плечо силы в два раза длиннее плеча нагрузки.

И вот, мы при помощи этого рычага, на неподвижной оси Б, поднимаем груз. Предположим, груз весом в 10 Н. Как известно из правила рычага, этот груз можно поднять с силой в 5 Н. И в этом случае плечо силы БС пройдет расстояние в два раза больше, чем плечо нагрузки АБ.

Вначале изложим первый парадокс. Будем искать ответ на следующий вопрос:

Как сила в 5 Н трансформируется в силу 10 Н?

Проанализируем работу рычага. Плечо силы, предположим, передвинулся на 1 миллиметр с силой в 5 Н.   И, как результат, плечо нагрузки передвинулся на 0,5 миллиметра с силой в 5 Н.  Далее плечо силы передвигается еще на 1 миллиметр с силой в 5 Н.  Плечо нагрузки снова передвигается на 0,5 миллиметра с силой в 5 Н.

В итоге этих двух операций груз должен подняться на 1 миллиметр. Но мы не в состоянии ответить на вопрос как сила в 5 Н преобразилась в силу в 10 Н.  Действительно, рычаг обеспечивает выигрыш в силе, но трансформация силы в 5 Н в силу 10 Н осталась неразрешимой загадкой.

Как видим, мы столкнулись с парадоксом — каким-то образом сила в 5 Н становится силой в 10 Н, но мы не можем ответить на вопрос каким именно образом  удваивается сила.

 Этот парадокс можно решить только в том случае, если мы примем, что механизм работы рычага связан с упругостью тел.

Рассмотрим более детально, как же происходит работа рычага:

А) Плечо силы делает. под действием приложенной силы, некоторую единицу пути вниз.

Б) Как результат, плечо нагрузки в силу противодействия груза делает движение назад, то есть деформируется.

В) В результате появляются силы упругости, которые стремятся вернуть плечо нагрузки в исходное положение.

Г) Тем самым, часть веса груза держат силы упругости плеча нагрузки.

Д) Дальнейшее движение плеча силы еще больше отодвигает плечо нагрузки назад.

Е) В результате силы упругости достигают величины необходимой для поднятия груза и плечо нагрузки поднимает груз.

Как видно из изложенного, рычаг работает как катапульта особого типа. Детальное рассмотрение работы рычага привело нас к выводу, что силы в 5 Н фактически не становится силой в 10 Н. Сила в 5 Н так и остается силой в 5 Н. Груз же мы поднимаем с меньшей силой чем необходимо для его поднятия в силу того, что сначала силу в 5 Н накапливает, аккумулирует деформированное плечо нагрузки, в силу чего и груз весит меньше, так как груз поднимают силы упругости.

На основе сказанного, мы можем назвать плечо нагрузки рычага АБ аккумулятором, а плечо силы БС зарядителем.

Таким образом, нам удалось объяснить следующее важное обстоятельство, а именно:

Закон Гука объясняет правило рычага открытого Архимедом, то есть проигрыш в расстоянии, например, в два раза, приводит к выигрышу в силе в два раза в силу того, что пластина рычага деформируются.

Связав правило рычага открытого Архимедом с законом Гука, мы приходим к выводу, что правило рычага применимо в пределах применимости закона Гука. Отсюда мы можем уточнить современную теорию рычага.

В современной теории рычага принято считать, что сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно при помощи рычага развить любое усилие. Но это положение, если принять нашу гипотезу о связанности механизма работы рычага с теорией упругости, оказывается неверным. Согласно нашему объяснению механизма работы рычага, а именно связанности работы рычага с упругостью тел, мы должны сделать вывод, что закон рычага применим только в пределах применимости закона Гука в теории упругости.

Очевидно, можно убедиться в сделанном нами выводе сделав соответствующие опыты. Например, такой опыт:

Возьмем очень длинный, но достаточно тонкий шест с малым коэффициентом упругости. Взяв соотношение плеч силы и нагрузки один к двум, мы сможем поднять груз в 50 Н при помощи такого рычага. А теперь возьмем соотношение плеч как один к десяти и попробуем поднять тот же груз в 50 Н. В данном случае правило рычага не будет работать, так как коэффициент упругости шеста этого не обеспечивает.

Тем самым этот опыт убеждает нас, что наш вывод правилен, при помощи рычага нельзя развить любое усилие, правило рычага применимо в пределах применимости закона Гука.

Таким образом, нам удалось решить изложенный выше парадокс. Мы привлекли к делу теорию упругости, а именно закон Гука.

А вот второй парадокс связанный с рычагом, который также не находит решения если мы не воспользуемся для объяснения теорией упругости:

Предположим, рычагом (Рисунок № 2) мы хотим поднять некий груз. Вначале плечо силы проходит наименьшую длину пути.

Действительно, тело, начав движение, вначале проходит некий наименьший путь. Если бы мы сказали, что этот начальный путь делится и состоит еще из меньшего пути, то тогда можно было бы возразить, что тело вначале проходит этот меньший путь и так до бесконечности, то есть мы все же должны сделать вывод, что тело, начав движение, вначале проходит некий наименьший путь.

Хотя изложенное нами выше логически безупречно, но мы, тем не менее, не можем принять это положение.

В самом деле, рычаг, который мы рассмотрели выше, как раз и нарушает наш кажущийся безупречным вывод. Рычаг устроен таким образом, что какой бы малый путь не проходил плечо силы, плечо нагрузки проходит путь в два раза меньше.

Итак, мы снова столкнулись с парадоксом. Мы должны сделать следующий вывод:

Наименьший путь и должен существовать, и не может существовать.

Этот парадокс также находит решение только в том случае, если мы вооружимся теорией упругости. Мы должны сделать следующий вывод большой важности:

Абсолютно упругие тела не могут служить в качестве рычага.

 В самом деле, абсолютно упругое тело могло бы вращаться только вокруг центральной оси. Если ось вращения абсолютно упругого тела как в рассматриваемом нами случае, а рассматриваемый нами рычаг имеет плечо силы в два раза длиннее, чем плечо нагрузки, то на данной оси абсолютно упругое тело не может вращаться, не может прийти в состояние движения, а тем самым абсолютно упругое тело не может служить в качестве рычага по двум причинам:

А) Абсолютно упругое тело не деформируется.

Б) Абсолютно упругое тело не может вращаться, если ось вращения расположена не на центре.

Последний вывод кажется противоречащим здравому смыслу. Но, тем не менее, мы можем решить изложенный выше парадокс только приняв это положение. Действительно, абсолютно упругое тело не может вращаться не на центральной оси, так как вначале оба плеча должны пройти наименьший путь, а точка опоры расположенный не на центре исключает это.

Появляется вопрос. Почему же могут вращаться не на центральной оси обычные балки? Ответ на этот вопрос мы снова ищем в теории упругости.

Ответ будет следующим:

 Существующие в мире тела обладают свойством деформироваться, в том числе и на изгиб, и это обстоятельство и позволяет им вращаться не на центральной оси, начальное движение плеча силы приведет только к внутренней деформации плеча нагрузки, реальное же движение плечо нагрузки не сделает.

Таким образом, изложенный нами второй парадокс решается в силу того, что обычные рычаги деформируются. Как видим, и этот парадокс нам удалось решить на основе теории упругости. 

Итак, такой простой механизм, как рычаг, может работать в силу упругости тел.

А теперь рассмотрим равновесие тел. Закон равновесия, сформулированный Архимедом, используется до сих пор и звучит как: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы — это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки — это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры». По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!».

Как же объясняется механизм закона равновесия с точки зрения теории упругости? Мы ранее пришли к выводу, что груз в один Н может поднять груз в два Н в силу различной деформации на изгиб плеча силы и плеча нагрузки, если плечо силы и плечо нагрузки различаются по длине в два раза. Тем самым в данном случае мы имеем вариант, когда скорость рычага имеет нулевую величину.

Действительно ли силы натяжения, возникающие при деформации пластины, удерживают в равновесии различающиеся по весу грузы? Для того чтобы убедиться в этом, поставим следующие мысленные опыты.

Опыт первый:

Возьмем в качестве рычага тело имеющее большой коэффициент упругости. И попытаемся уравновесить груз в 5 грамм и 10 грамм. Проделав такой опыт, мы увидим, что эти грузы не уравновешиваются.

В чем же причина этого? Дело в том, что такие малые грузы не могут деформировать на изгиб плечи рычага, они не перевешивают начальные межатомные силы притяжения, а, следовательно, эти грузы не уравновешиваются.

Этот опыт подтверждает наше предположение, что грузы уравновешиваются в силу деформации плеч и, как следствие, увеличения при этом межатомных электрических сил притяжения, которые стремятся восстановить начальное состояние рычага.

Опыт второй:

На этот раз в качестве рычага возьмем тело имеющее малый коэффициент упругости, то есть большую эластичность. И попытается уравновесить грузы, например, в 5 килограммов и 10 килограммов. В данном случае, очевидно, плечи рычага деформируются сильно и удержать грузы не смогут.

          Между тем если в качестве рычага мы используем проволоку имеющую большую эластичность, то условие равновесия будет сохраняться и для грузов в 5 и 10 граммов.   

          Таким образом, эти опыты убеждают нас, что в рассматриваемом нами примере в начале, груз в 2 Н удерживает груз в 1 Н в силу деформации плеч. Именно по этой причине грузы весов уравновешиваются.

 Как видим, на основе деформации тел мы смогли объяснить выявленные парадоксы рычага. Физической причиной работы рычага является деформация тел, в данном случае деформация на изгиб.

ЗУБАИРОВ ЮНУС ФАРИТОВИЧ

452721, Республика Башкортостан, Буздякский р-н, п-о Каран, дер. Ново-Актово.

Опубликовано 27 августа 2017 года