Equilíbrio na física é um estado do sistema, no qual ele está em repouso relativo aos objetos ao redor. A estática é o estudo das condições de equilíbrio. Um dos mecanismos, cujo conhecimento das condições de equilíbrio para o funcionamento é de fundamental importância, é a alavanca. Considere no artigo quais são os tipos de alavancagem.
O que é isso na física?
Antes de falar sobre os tipos de alavancas (em física, o 7º ano passa neste tópico), vamos definir este dispositivo. Uma alavanca é um mecanismo simples que permite converter força em distância e vice-versa. A alavanca possui um dispositivo simples, consiste em uma viga (tábua, haste), que possui um determinado comprimento e um suporte. A posição do suporte não é fixa, portanto, pode ser localizada tanto no meio da viga quanto em sua extremidade. Observamos imediatamente que a posição do suporte geralmente determina o tipo de alavanca.
Este último tem sido usado pelo homem desde tempos imemoriais. Então, sabe-se que na antiga Mesopotâmia ou no Egito, com a ajuda dela, eles levantavam água de rios ou moviam enormes pedras duranteconstrução de várias estruturas. Usou ativamente a alavanca na Grécia antiga. A única evidência escrita que sobreviveu do uso desse mecanismo simples é a obra "Vidas Paralelas" de Plutarco, onde o filósofo dá um exemplo do uso do sistema de blocos e alavancas de Arquimedes.
O conceito de torque
Compreender o princípio de funcionamento de diferentes tipos de alavancas em física é possível se você estudar a questão do equilíbrio do mecanismo em consideração, que está intimamente relacionado ao conceito de momento da força.
O momento da força é o valor que se obtém multiplicando a força pela distância do ponto de sua aplicação ao eixo de rotação. Essa distância é chamada de "ombro da força". Vamos denotar F e d - a força e seu ombro, respectivamente, então temos:
M=Fd
O momento da força fornece a capacidade de girar em torno deste eixo de todo o sistema. Exemplos vívidos em que você pode observar o momento da força em ação são desatarraxar uma porca com uma chave inglesa ou abrir uma porta com uma maçaneta distante das dobradiças da porta.
Torque é uma grandeza vetorial. Na resolução de problemas, muitas vezes é preciso levar em conta seu signo. Deve ser lembrado que qualquer força que faça o sistema de corpos girar no sentido anti-horário cria um momento de força com o sinal +.
Alavanca de equilíbrio
A figura acima mostra uma alavanca típica e as forças que atuam sobre ela estão marcadas. Mais tarde no artigo será dito que é -alavancagem do primeiro tipo. Aqui, as letras F e R denotam uma força externa e um certo peso da carga, respectivamente. Você também pode ver que o suporte está deslocado do centro, então os comprimentos dos braços dF e dR não são iguais entre si.
Na estática mostra-se que a alavanca não se move como um mecanismo inteiro, a soma de todas as forças que atuam sobre ela deve ser igual a zero. Notamos apenas dois deles. Na verdade, há também uma terceira, que é oposta a essas duas e igual à sua soma - esta é a reação de suporte.
Para que a alavanca não faça movimentos de rotação, é necessário que a soma de todos os momentos de forças seja igual a zero. O ombro da força de reação do suporte é zero, então não cria um momento. Resta escrever os momentos das forças F e R:
RdR-FdF=0=>
RdR=FdF
Condição de equilíbrio da alavanca registrada como uma fórmula, também fornecida:
dR/dF=F/R
Esta igualdade significa que para que a alavanca não gire, a força externa deve ser tantas vezes maior (menor) que o peso da carga que está sendo levantada, quantas vezes o braço dessa força é menor (maior) do que o braço sobre o qual o peso atua como carga.
O texto dado significa que quantas vezes ganhamos no caminho com a ajuda do mecanismo em consideração, perdemos a mesma quantidade de força.
Alavanca do primeiro tipo
Foi mostrado no parágrafo anterior. Aqui dizemos apenas que para uma alavanca deste tipo, o suporte está localizado entre as forças atuantes F e R. Dependendo da relação dos comprimentos dos braços, tal alavanca podeser usado tanto para levantar pesos quanto para dar aceleração ao corpo.
Balança mecânica, tesoura, puxador de pregos, catapulta são exemplos de alavancas do primeiro tipo.
No caso de uma balança, temos dois braços de mesmo comprimento, então o equilíbrio da alavanca só é alcançado quando as forças F e R são iguais entre si. Este fato é usado para pesar corpos de massa desconhecida comparando-os com um valor de referência.
Tesoura e um puxador de unhas são exemplos de como ganhar força, mas perder ao longo do caminho. Todo mundo sabe que quanto mais perto do eixo da tesoura uma folha de papel é colocada, mais fácil é cortá-la. Pelo contrário, se você tentar cortar o papel com as pontas da tesoura, há uma alta probabilidade de que eles comecem a "mastigá-lo". Quanto mais longo for o cabo da tesoura ou do puxador de unhas, mais fácil será realizar a operação correspondente.
Quanto à catapulta, este é um exemplo vívido de ganho com a ajuda de uma alavanca no caminho e, portanto, na aceleração que seu ombro transmite ao projétil.
Alavanca do segundo tipo
Em todas as alavancas do segundo tipo, o suporte está localizado próximo a uma das extremidades da viga. Este arranjo leva à presença de apenas um ress alto na alavanca. Neste caso, o peso da carga está sempre localizado entre o apoio e a força externa F. A disposição das forças na alavanca do segundo tipo leva ao único resultado útil: ganho de força.
Exemplos desse tipo de alavanca são o carrinho de mão, usado para carregar cargas pesadas, e o quebra-nozes. Em ambos os casos, a perda ao longo do caminho não tem nenhum valor negativo. Assim, no caso do manualcarrinhos de mão, só é importante manter a carga no peso enquanto estiver em movimento. Neste caso, a força aplicada é várias vezes menor que o peso da carga.
Alavanca do terceiro tipo
O design deste tipo de alavanca é em muitos aspectos semelhante ao anterior. O suporte, neste caso, também está localizado em uma das extremidades da viga, e a alavanca possui um único braço. No entanto, a localização das forças atuantes é completamente diferente do que em uma alavanca do segundo tipo. O ponto de aplicação da força F está entre o peso da carga e o suporte.
Pá, barreira, vara de pescar e pinça são exemplos marcantes desse tipo de alavancagem. Em todos esses casos, vencemos no caminho, mas há uma perda significativa de força. Por exemplo, para segurar uma carga pesada com uma pinça, você precisa aplicar uma grande força F, então usar esta ferramenta não significa segurar objetos pesados com ela.
Em conclusão, notamos que todos os tipos de alavancas funcionam com o mesmo princípio. Eles não dão um ganho no trabalho de movimentação de mercadorias, mas apenas permitem redistribuir esse trabalho na direção de sua implementação mais conveniente.
