Рассмотрим второй из выделенных нами типов простых механизмов.

Представьте: папа сел на качели (см. рис. 22)

Рис. 22. Качели с человеком

Чтобы его уравновесить, вы сядете на качели подальше от центра (см. рис. 23)

Рис. 23. Уравновешивание качелей

Так вы, давя на качели меньшим весом, уравновесите более тяжелого папу.

Подсознательно вы использовали принцип действия простого механизма – рычага. Рычаг – это твердое тело, которое имеет точку опору и может вращаться вокруг неё. Свойствами рычага мы пользуемся, когда толкаем дверь дальше от петель, чтобы её открыть; когда берём лопату поближе к концу черенка и т.д (см. рис. 24)

Рис. 24. Принцип рычага

Чтобы строго сформулировать используемые нами свойства рычага, введём несколько понятий.

У качелей есть точка, которая остается неподвижной и вокруг которой они вращаются (см. рис. 25)

Рис. 25. Точка опоры

Эта точка называется точкой опоры (в ней качели крепятся к опоре). Для лопаты точкой опоры будет точка (см. рис. 26), для ножниц – винтик и т.д.

Рис. 26. Точка опоры для лопаты и ножниц

Итак, у любого рычага есть одна неподвижная точка, которая называется точкой опоры.

Какие силы действуют на качели (см. рис. 27)?

Рис. 27. Качели

1) В точке опоры действует сила реакции опоры. Из-за этого данная точка остаётся неподвижной (см. рис. 28)

Рис. 28. Сила реакции опоры

2) Папа действует на качели своим весом. Эта сила стремится вращать качели против часовой стрелки (см. рис. 29)

Рис. 29. Вес человека

3) Вы тоже действуете на качели своим весом. Эта сила вращает качели по часовой стрелке (см. рис. 30)

Рис. 30. Вес второго человека

Если использовать для рычага модель материальной точки, то получится, что все силы, которые мы описали, действуют вдоль вертикали (вверх или вниз) (см. рис. 31)

Рис. 31. Модель материальной точки

Тогда движение рычага было бы возможно только вверх или вниз. Но рычаг вращается, значит, модель материальной точки для его описания неприменима.

Поэтому рассмотрим не только силы, действующие на рычаг, но и точки их приложения. Все знают, насколько труднее удерживать груз на вытянутой руке, чем на согнутой (см. рис. 32)

Рис. 32. Удерживание груза на вытянутой и согнутой руке

Можно сделать предположение, что чем ближе точка приложения силы к точке опоры, тем меньше её «вклад» в поворот рычага.

Чтобы определять точку приложения силы, введем понятие плеча силы (по аналогии с плечом руки, которая удерживает груз).

Плечо силы – это минимальное расстояние от заданной точки до прямой, вдоль которой действует сила (см. рис. 33)

Рис. 33. Плечо силы

В геометрии мы определили такое расстояние, как перпендикуляр, опущенный из точки опоры на прямую, вдоль которой действует сила.

Чаще всего мы будем рассматривать силы, действующие перпендикулярно рычагу, и плечо силы будет равно расстоянию от точки опоры до точки приложения силы (см. рис. 34)

Рис. 34. Силы, действующие перпендикулярно рычагу

Вращение рычага зависит и от значения силы, и от ее плеча – чем больше сила и длиннее её плечо, тем сильнее будет вращающее действие этой силы (см. рис. 35)

Рис. 35. Вращение рычага

Назовем произведение силы на ее плечо моментом силы.

Вспомним, что тело сохраняет свою скорость, если действующие на него силы уравновешены. При вращении тела, то же самое можно сказать про момент силы: если моменты сил уравновешены, то тело вращается равномерно или остается в покое (см. рис. 36)

Рис. 36. Моменты сил уравновешены

Вернёмся к примеру с качелями (см. рис. 23): чтобы они уравновесились, моменты двух сил – вашего и папиного веса – также должны быть уравновешены. Момент силы реакции опоры не учитываем: он равен нулю, поскольку плечо этой силы равно нулю (см. рис. 37)

Рис. 37. Момент силы реакции опоры равен 0

Момент веса папы (см. рис. 38):

Момент вашего веса (см. рис. 38):

Рис. 38. Моменты силы

Тогда . Теперь видно: чем больше будет , тем меньшего достаточно веса . Поэтому, если длина качелей будет достаточной, чтобы взяться подальше от точки опоры, взрослого человека легко уравновесить рукой (см. рис. 39)

Рис. 39. Достаточная длина качелей

Простые механизмы, работающие по тому же принципу, что и качели, называют рычагами. Примерами рычагов, как мы уже сказали, являются лопата, тачка, плоскогубцы (см. рис. 40)

Рис. 40. Примеры рычагов

На примере качелей мы увидели, что с помощью рычага можно получить выигрыш в силе, если увеличить плечо. Вокруг себя вы можете увидеть множество аналогичных примеров:

- дверь вы открываете ближе к краю, а не к петлям: плечо больше, значит, можно прикладывать меньшую силу (см. рис. 41)

Рис. 41. Открывание двери

- у дверной ручки тоже есть своё плечо, чтобы проще было её поворачивать. А вот круглые ручки поворачивать сложнее (см. рис. 42)

Рис. 42. Дверная ручка