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杠杆(简单机械)_百度百科

发布人: 澳门永利集团888贵宾厅网址 来源: 澳门永利集团888贵宾厅官网 发布时间: 2020-06-09 11:16

  (注:动力作用线、阻力作用线、动力臂、阻力臂皆用虚线表示。力臂的下角标随着力的下角标而改变。例:动力为F3,则动力臂为L3;阻力为F5,阻力臂为L5.)

  阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中最早提出了杠杆原理。他首先把杠杆实际应用中的一些经验知识当作不证自明的,然后从这些出发,运用几何学通过严密的逻辑论证,得出了杠杆原理。这些是:⑴在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等的重量,它们将平衡;⑵在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不相等的重量,重的一端将下倾;⑶在无重量的杆的两端离支点不相等距离处挂上相等重量,距离远的一端将下倾;⑷一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替,只要重心的保持不变。相反,几个均匀分布的重物可以用一个悬挂在它们的重心处的重物来代替;似图形的重心以相似的方式分布……正是从这些出发,在重心理论的基础上,阿基米德又发现了杠杆原理,即

  阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面,而且据此原理还进了一系列的发明创造。据说,他曾经借助杠杆和滑轮组,使停放在沙滩上的桅船顺利下水。在叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中,阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器,利用它射出各种飞弹和巨石敌人,曾把罗马人阻于叙拉古城外达3年之久。

  这里还要顺便提及的是,关于杠杆的工作原理,在中国历史上也有记载过。战国时代的墨家曾经总结过这方面的规律,在《墨经》中就有关于天平平衡的记载:“衡木:加重于其一旁,必锤——重相若也。“这句话的意思是:天平衡量的一臂加重物时,另一臂则要加砝码,且两者必须等重,天平才能平衡。这句话对杠杆的平衡说得很全面。里面有等臂的,有不等臂的;有改变两端重量使它偏动的,也有改变两臂长度使它偏动的。这样的记载,界物理学史上也常有价值的。

  当动力和阻力对杠杆的转动效果相互抵消时,杠杆将处于平衡状态,这种状态叫做杠杆平衡,但是杠杆平衡并不是力的平衡。

  注意:在分析杠杆平衡问题时,不能仅仅以力的大小来判断,一定要从基本知识考虑,做到解决问题有根有据,切忌凭主观感觉来解题。

  F1×L1=F2×L2一根硬棒能成为杠杆,不仅要有力的作用,而且必须能绕某固定点转动,缺少任何一个条件,硬棒就不能成为杠杆,例如酒瓶起子在没有使用时,就不能称为杠杆。

  相反,几个均匀分布的重物可以用一个悬挂在它们的重心处的重物来代替;似图形的重心以相似的方式分布……正是从这些出发,在重心理论的基础上,阿基米德又发现了杠杆原理,即二重物平衡时,它们离支点的距离与重量成反比。

  在使用杠杆时,为了省力,就应该用动力臂比阻力臂长的杠杆;如欲省距离,就应该用动力臂比阻力臂短的杠杆。因此使用杠杆可以省力,也可以省距离。但是,要想省力,就必须多移动距离;要想少移动距离,就必须多费些力。要想又省力而又少移动距离,是不可能实现的。

  正是从这些出发,在“重心”理论的基础上,阿基米德发现了杠杆原理,即“二重物平衡时,它们离支点的距离与重量成反比。阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面,而且据此原理还进行了一系列的发明创造。阿基米德曾讲:“给我一个支点和一根足够长的杠杆,我就可以撬动地球”。讲的就是这个道理。但是找不到那么长和坚固的杠杆,也找不到那个立足点和支点。所以撬动地球只是阿基米德的一个假想。

  杠杆的支点不一定要在中间,满足下列三个点的系统,基本上就是杠杆:支点、施力点、受力点。其中公式这样写:支点到受力点距离(力矩) * 受力 = 支点到施力点距离(力臂)* 施力,这样就是一个杠杆。杠杆也有省力杠杆跟费力的杠杆,两者皆有但是功能表现不同。例如有一种用脚踩的打气机,或是用手压的榨汁机,就是省力杠杆(力臂 力矩);但是我们要压下较大的距离,受力端只有较小的动作。另外有一种费力的杠杆。例如边的吊车,钓东西的钩子在整个杆的尖端,尾端是支点、中间是油压机 (力矩 力臂),这就是费力的杠杆,但费力换来的就是中间的施力点只要动小距离,尖端的挂勾就会移动相当大的距离。两种杠杆都有用处,只是要用的地方要去评估是要省力或是省下动作范围。另外有种东西叫做轮轴,也可以当作是一种杠杆的应用,不过表现尚可能有时要加上转动的计算。

  动力臂×动力=阻力臂×阻力,即L1×F1=L2×F2,由此可以演变为F1/F2=L2/L1杠杆的平衡不仅与动力和阻力有关,还与力的作用点及力的作用方向有关。

  杠杆是可以绕着支点旋转的硬棒。当外力作用于杠杆内部任意时,杠杆的响应是其操作机制;假若外力的作用点是支点,则杠杆不会出现任何响应。

  假设杠杆不会耗散或储存能量,则杠杆的输入功率必等于输出功率。当杠杆绕着支点呈匀角速度旋转运动时,离支点越远,则移动速度越快,离支点越近,则移动速度越慢,由于功率等于作用力乘以速度,离支点越远,则作用力越小,离支点越近,则作用力越大。

  支点在动力点和阻力点的中间。称为第一类杠杆。既可能省力的,也可能费力的,主要由支点的决定,或者说由臂的长度决定。动力臂与阻力臂长度一致,所以这类杠杆是等臂杠杆。例:跷跷板、天平等。

  阻力点在动力点和支点中间。称为第二类杠杆。由于动力臂总是大于阻力臂,所以它是省力杠杆。例:坚果夹子,门,钉书机,跳水板,扳手,开(啤酒)瓶器,(运水泥、砖的)手推车。

  动力点在支点和阻力点之间。称为第三类杠杆。特点是动力臂比阻力臂短,所以这类杠杆是费力杠杆,然而能够节省距离。例:镊子,手臂,鱼竿,皮划艇的桨,下颚,锹、扫帚、球棍,理发剪刀等以一手为支点,一手为动力的器械。

  另外,像轮轴这类的工具也属于一种变形杠杆。就拿最简单、相似于第一类杠杆的定滑轮来介绍,滑轮轴心好比支点,两端物体的拉力好比杠杆的两端施力,而如果滑轮是一个完美的圆,施力臂和阻力臂皆将是圆的半径。

  根据杠杆模型可知,若L₁〉L₂,则F₁〈F₂,这是杠杆可省力;若L₁〈L₂,则F₁〉F₂,这时杠杆要费力;若L₁=L₂,则F₁=F₂,杠杆既不省力也不费力

  杠杆是一种简单机械;一根硬棒(最好不会弯又非常轻),就能当作一根杠杆了。上图中,方形代表重物、圆形代表支持点、箭头代表用,这样,你看出来了吧?在杠杆右

  边向下杠杆是等臂杠杆;第二种是重点在中间,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆;第三种是力点在中间,动力臂小于阻力臂,是费力杠杆。

  费力杠杆例如:理发剪刀、镊子、钓鱼竿……杠杆可能省力可能费力,也可能既不省力也不费力。这要看力点和支点的距离:力点离支点愈远则愈省力,愈近就愈费力;还要看重点(阻力点)和支点的距离:重点离支点越近则越省力,越远就越费力;如果重点、力点距离支点一样远,如定滑轮和天平,就不省力也不费力,只是改变了用力的方向。

  省力杠杆例如:开瓶器、榨汁器、胡桃钳……这种杠力点一定比重点距离支点近,所以永远是省力的。

  如果我们分别用花剪(刀刃比较短)和洋裁剪刀(刀刃比较长)剪纸板时,花剪较省力但是费时;而洋裁剪则费力但是省时。

  用较小的力就能剪开纸或布之类较软的物体,这说明阻力较小,同时为了加快剪切速度,刀口要比较长。用动力臂较短、阻力臂较长的剪刀。

  修剪树枝时,一方面树枝较硬,这就要求剪刀的动力臂要长、阻力臂要短;另一方面,为了加快修剪速度,剪切整齐,要求剪刀刀口要长。用动力臂较长、阻力臂较短,同时刀口较长的剪刀。

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