A humanidade há muito usa máquinas e mecanismos simples para tornar o trabalho físico mais fácil e simples. Um desses mecanismos é a alavanca. O que é uma alavanca na física, qual fórmula descreve seu equilíbrio e quais tipos de alavancas são - todas essas questões são reveladas no artigo.
Conceito
Uma alavanca em física é um mecanismo que consiste em uma viga ou tábua e um suporte. O apoio geralmente divide a viga em duas partes desiguais, que são chamadas de braços de alavanca. Este último pode realizar um movimento de rotação em torno do fulcro.
Sendo um mecanismo simples, a alavanca é projetada para realizar trabalho físico com ganho de potência ou em trânsito. As forças aplicadas atuam nos braços da alavanca durante sua operação. Um deles é o poder de resistência. É criado pelo peso da carga que precisa ser movida (levantada). A segunda força é alguma força externa, que na maioria dos casos é aplicada ao braço de alavanca com a ajuda de mãos humanas.
A imagem acima mostra uma alavanca típica comdois ombros. Mais adiante no artigo será explicado porque se refere à alavancagem do segundo tipo.
A regra da alavanca fica assim:
ForceForce arm=LoadLoad arm
Momento de força
Vamos fazer uma digressão do tema da alavanca na física e considerar uma grandeza física importante para entender seu funcionamento. É sobre o momento da força. É o produto da força pelo comprimento do braço de sua aplicação, que se escreve matematicamente da seguinte forma:
M=Fd
É importante não confundir, o braço da força d e o braço da alavanca, em geral são conceitos diferentes.
O momento da força mostra a capacidade deste último de fazer uma curva no sistema. Assim, muitas pessoas sabem que é muito mais fácil abrir a porta pela maçaneta do que empurrá-la para perto das dobradiças, ou é mais fácil desapertar a porca do parafuso com uma chave longa do que com uma curta.
Momento de força é um vetor. Para entender o funcionamento de um mecanismo de alavanca simples em física, basta saber que o momento é considerado positivo se a força tende a girar o braço de alavanca no sentido anti-horário. Se ele tende a fazer uma curva no sentido horário, então o momento deve ser tomado com um sinal de menos.
Equilíbrio de alavancas na física
Para facilitar o entendimento em que condição a alavanca estará em equilíbrio, considere a figura a seguir.
Duas forças são mostradas aqui: uma carga R e uma força externa F aplicada para superar issocargas. Os braços dessas forças são iguais a dR e dF, respectivamente. De fato, existe outra força - a reação do suporte, que atua verticalmente para cima no ponto de contato entre a viga e o suporte da alavanca. Como o ombro desta força é igual a zero, não será considerado mais ao determinar a condição de equilíbrio.
Segundo a estática, a rotação do sistema é impossível se a soma dos momentos das forças externas for igual a zero. Vamos escrever a soma desses momentos, levando em consideração seu sinal:
RdR-FdF=0.
A igualdade escrita reflete a condição de equilíbrio suficiente para a alavanca. Se não houver duas forças atuando na alavanca, mas mais, essa condição ainda permanecerá. Só que ao invés da soma de dois momentos de forças, será necessário encontrar a soma de todos os momentos das forças atuantes e igualá-los a zero.
A vitória é forte e a caminho
A expressão para os momentos das forças de alavanca em física, que foi escrita no parágrafo anterior, será reescrita da seguinte forma:
RdR=FdF
Da fórmula acima segue:
dR /dF=F/R.
Esta igualdade diz que para manter o equilíbrio é necessário que a força F seja tantas vezes maior que o peso da carga R, quantas vezes seu braço dF menor que o braço d R. Como o braço maior no processo de mover a alavanca percorre um caminho mais longo que o braço menor, temos a oportunidade de realizar o mesmo trabalho usando a alavanca de duas maneiras:
- aplique mais força F e mova o ombro paracurta distância;
- aplique uma pequena força F e mova o ombro por uma longa distância.
No primeiro caso, fala-se de um ganho no caminho no processo de movimentação da carga R, no segundo caso, obtém-se um ganho de força, pois F < R.
Onde a alavancagem é usada e o que são?
Dependendo do ponto de aplicação das forças de alavanca na física e da posição do suporte, o mecanismo mais simples pode ser de três tipos:
- Esta é uma alavanca de dois braços, na qual a posição de apoio é removida igualmente de ambas as extremidades da viga. Dependendo da proporção dos comprimentos dos braços, esse tipo de alavanca permite que você vença tanto no caminho quanto na força. Exemplos de seu uso incluem balanças, alicates, tesouras, um puxador de unhas, um balanço de bebê.
- A alavanca do segundo tipo é de braço único, ou seja, o suporte está localizado próximo a uma de suas extremidades. Neste caso, a força externa é aplicada na outra extremidade da viga, e a força de carga atua entre o apoio e a força externa, o que permite vencer nesta mesma força. Um carrinho de mão ou um quebra-nozes são os principais exemplos desse tipo de alavancagem.
- O terceiro tipo de mecanismo é representado por exemplos como uma vara de pescar ou uma pinça. Essa alavanca também é de braço único, mas a força externa aplicada já está mais próxima do apoio do que o ponto de aplicação da carga. Este design de um mecanismo simples permite que você ganhe na estrada, mas perca em força. É por isso que é difícil segurar um peixe pequeno no peso na ponta de uma vara de pescar ou um objeto pesado com uma pinça.
Para reiterar, uma alavanca na física só permitetorna conveniente realizar este ou aquele trabalho de movimentação de mercadorias, mas não permite que você ganhe neste trabalho.
