Какую мощность развивает конь в упряжке? Странно, но средняя лошадь выдает при длительной работе только 0,8 л.с.; во всяком случае, именно такой показатель закладывали (и закладывают) обычно в инженерные и экономические расчеты по гужевому транспорту и пр. Считается также, что мужчина средних лет и обычной физической подготовки развивает (опять же при длительной работе) около 0,1 л.с. Немного, но и человек, и лошадь способны напрячься и несколько секунд выдавать гораздо больше – в разы. Конь вытаскивает телегу, застрявшую в разбитой колее, а моторчик внутреннего сгорания мощностью в 2 (две!) л.с. просто глохнет. Крутящего момента не хватило…
Использование момента силы в быту и технике
В наших собственных телах механика, которая управляет движением человеческой головы, а также головы многих других животных, является примером рычага класса один. Голова сбалансирована на шее, которая становится точкой опоры. Усилие прикладывается мышцами на одной стороне головы, а сопротивление применяется на противоположной стороне. При приложении достаточного усилия головка наклоняется в направлении выходной силы или сопротивления.
Наш рот, когда он используется для жевания, а также клювы птиц, являются примерами рычагов класса два. Щелкунчики могут быть сделаны из металла или дерева, и эти дни часто являются декоративными. В некоторых случаях они используются исключительно для украшения, так как деревянные орешники в форме солдат, королей и других персонажей, популярных в Северной Америке для показа вокруг Рождества, как сезонные украшения. Некоторые считают, что декоративные орешники в форме фигурок возникли в Германии, где все еще популярны местные ремесла.
Золотое правило механики
Так что же такое крутящий момент и как он связан с мощностью двигателя? Вспомните среднюю школу: мощность определяется произведением силы на скорость (с какими-то коэффициентами в зависимости от единиц измерения) – для поступательного движения. Допустим, тянете вы груз с усилием в 12 кг и со скоростью 1 м/сек. (3,6 км/ч); тогда ваша мощность – 12 кгм/сек. То есть, 0,16 л.с.[Европейская (парижская) лошадиная сила считается 75 кгм/сек. Англо-американская практика вся запутана футами и фунтами, так что британская лошадиная сила (bhp) равна 1,0139 л.с. по «континентальному» счету.] ; неплохо. Космический ракетный двигатель развивает тягу в 100 т при скорости 12 км/сек., значит, его мощность – 16 млн л.с.!
В немецкой сельской местности их часто продают туристам. В наши дни более распространено использование простых и функциональных конструкций для крекинга орехов и твердых раковин омаров и крабов. Когти лобстеров и крабов на самом деле являются также рычагами класса два, работая над аналогичным принципом, как орешники.
Зубчатый пресс также похож по дизайну на эти устройства, а также рычаг второго класса. Не все повара согласны использовать его, потому что некоторые считают, что вкус прессованного чеснока уступает, но другие предпочитают прессованный чеснок для его более интенсивного вкуса и для удобства нажатия.
Или же мощность определяется произведением крутящего момента [В свою очередь крутящий момент (он имеет смысл при вращательном движении) равен произведению силы на плечо ее действия. Когда к рычагу плечом в 1 м прилагается усилие в 10 кг (перпендикулярно плечу!), то тем самым создается крутящий момент в 10 кгм. Или в 98 Нм – кому как нравится.] на частоту вращения вала – для вращательного движения. Вот и все, остальное – арифметика. Если на валу мотора при 6000 мин -1 (в просторечии оборотов в минуту) замерен крутящий момент в 10 килограммометров, то его мощность равна 83,775 л.с. Или 61,6 кВт – в других единицах измерения [Один кВт равен 1,36 «континентальной» л.с. – даже в Африке.] . Причем неважно, о каком именно двигателе идет речь – о паровой машине, газовой турбине, поршневом д.в.с. или электромоторе; арифметике без разницы.
Наши ноги, а также ноги некоторых животных также действуют как рычаги второго класса. Опорная точка вокруг пальцев ног, и мышцы прикладывают усилие вокруг пятки. Наш вес действует как сопротивление. Этот «рычаг» помогает нам балансировать на ногах, поднимать и разрушать наше тело.
Другими примерами рычагов второго класса являются, например, тачки, тормоза в транспортных средствах и двери. Если мы подтолкнем дверь около точки опоры, было бы почти невозможно ее открыть, но мы можем легко ее размахивать, применяя силу сбоку, напротив петель. Это является причиной размещения дверных ручек на стороне, противоположной шарнирам. Чтобы увеличить крутящий момент и уменьшить силу, необходимую для ее открытия, тяжелая дверь может быть увеличена.
Момент силы F на плече R; крутящий момент равен F x R
И что же нашему брату, автомобилистам, нужно – мощность двигателя или его крутящий момент? Вот притча: вынесли вы на рынок картошку и хотите сбыть ее по 35 руб. за кг. Вроде как главное для вас – хорошая цена. Продали пару кило – по 35, а больше не берут; дорого. Тут-то и выясняется, что для вас важна не столько цена – за кг, – сколько общая выручка от продажи 2 центнеров картошки.
Открыватели бутылок также действуют как рычаги класса два, в частности автономные инструменты, а не те, которые прикреплены к стене или другой поверхности. Некоторые из этих открывателей - это инструменты, которые входят в карманные ножи, а некоторые из них маленькие и могут перевозиться на брелок. Иногда открывалка для бутылок может выступать в качестве рычага класса один, если поместить развод по-другому и надавить на него, а не вверх.
Наши вооружения, когда используются для подъема тяжелых предметов, работают как рычаги третьего класса. Так что делайте наши ноги, когда мы отталкиваемся от земли во время ходьбы или бега. В этом случае колени и локти выступают в качестве опорных точек. Точно так же, когда мы «расширяем» наше оружие инструментами, такими как бейсбольные биты или теннисные ракетки, мы создаем дополнительные три рычага класса. Мы применяем усилие около точки опоры для поворота этих предметов, а сила сопротивления находится в конце летучей мыши или ракетки, где они входят в контакт с мячом.
Так и с моторами: нередко автомобилисты заявляют, что для них главное – момент, тяга, а мощность – дело десятое. Ровно наоборот – как в старом анекдоте: дай нам, Господи, мощность, а крутящий момент мы уж как-нибудь сами…
Пусть микролитражный моторчик развивает 10 л.с. при 6 тыс. оборотов. То есть, крутящий момент на его маховике – 1,2 кгм (11,7 Нм). Вам нужно 100 Нм? Ради Бога: ставим понижающий редуктор (с передаточным числом 8,55), – и вот вам 100 Нм на выходном валу [Забудем пока о (неизбежных) потерях мощности в редукторе.] . Причем мощность – за вычетом потерь – остается, естественно, той же. Хотите 1000 Нм? Пожалуйста, возьмите редуктор с передаточным числом 85,5; вопрос подбора шестеренных пар…
Аналогичным образом, удочка также является рычагом класса три, потому что мы применяем силу для поворота вокруг области захвата. Молоток - еще один пример рычага класса 3, а также другие аналогичные инструменты, в том числе лопаты, грабли, веники и мухобойки. Инструменты, такие как степлеры, щипцы и пинцеты, также являются рычагами класса три, но состоят из двойного рычага, причем один действует в направлении другого.
Теперь давайте рассмотрим пример использования рычага. Представьте себе, что обычный человек обычно может поднимать камень около 20 кг. Это напряженно, но возможно, даже для человека, который не очень силен. С другой стороны, маленький ребенок вряд ли поднимет такой камень. Однако, если использовать лом, достаточно сильный, чтобы он не сломался, и достаточно долго, вес можно значительно уменьшить, позволяя даже ребенку поднять этот камень. Известно, что Архимед утверждал, что может перемещать Землю, если у него может быть место, чтобы стоять на том, что было достаточно далеко, - это утверждение основано на том же принципе.
Но! При моменте в 100 Нм на выходном валу редуктора его обороты уже не 6000 мин -1 , а только 700 с небольшим. Золотое правило механики: выигрывая в крутящем моменте (в силе), проигрываем в частоте вращения (в скорости). А 1000 Нм вы получите и вовсе при 70 мин -1 ; слишком медленно. Так вы хотите и крутящий момент, и обороты! И рыбку съесть, и не поцарапаться. Вам нужно продать по 35 руб. не 2-3 кг картошки, а много. Так и скажите: для меня главное – выручка. Для меня главное – мощность двигателя.
Особенности тестера крутящего момента
После того, как мы поднимем этот тяжелый камень с помощью рычагов класса один, мы можем поместить его на рычаг класса 2, тачку и транспортировать его, подняв тачку руками и руками, которые являются рычагами третьего класса. Его измерительный диапазон, точность измерения, мобильный или стационарный дизайн, работу и удобство для пользователя, различные функции, входы и выходы для данных и вариантов памяти.
Диапазон измерения и точность измерения
Эксплуатация и удобство использования. Аксессуары для тестера крутящего момента. Крутящий момент, создаваемый асинхронным асинхронным двигателем, изменяется, когда двигатель разгоняется от нуля до максимальной рабочей скорости.Мощность!
Допустим, катите вы в легковушке по ровной дороге с усовершенствованным покрытием; скорость постоянная – 100 км/ч. Тяга от двигателя в пятнах контакта ведущих колес с ходовой поверхностью в сумме как раз покрывает силы сопротивления воздуха и качения покрышек; для вашего авто (с его аэродинамикой, весом, шинами и давлением в них): положим 54 кг. То есть, крутящий момент на оси (при радиусе качения колес, скажем, 265 мм) равен 140 Нм, обороты колес – около 1000 мин -1 , а расходуемая мощность – 1500 кгм/сек. или 20 л.с. С учетом потерь в трансмиссии – от маховика до пятна контакта – от мотора требуется мощность около 22,5 л.с.; легко.
Заблокированный ротор или пусковой момент
Момент запираемого ротора или пусковой момент - это момент, когда электродвигатель развивается при запуске с нулевой скоростью. Высокий стартовый крутящий момент более важен для приложений или машин, которые трудно запускать - например, насосы с принудительным вытеснением, краны и т.д. более низкий пусковой момент может быть принят для центробежных вентиляторов или насосов, где стартовая нагрузка низкая или близка к нулю.
Момент затяжки - это минимальный крутящий момент, развиваемый электродвигателем, когда он работает от нуля до полной нагрузки. Когда двигатель запускается и начинает ускоряться, общий крутящий момент будет уменьшаться до тех пор, пока он не достигнет низкой точки с определенной скоростью - момент вытягивания - до того, как крутящий момент увеличится до тех пор, пока он не достигнет наивысшего крутящего момента на более высокой скорости - разрушение момент - точка.
А чтобы ехать на две «сотни»? При удвоении скорости, силы сопротивления возрастают примерно вчетверо – по квадрату. Иначе говоря, потребная мощность увеличивается в 8 раз (4 х 2) – по кубу скорости! От двигателя нужны теперь 170-180 л.с. на маховике, поэтому далеко не каждый автомобиль способен набрать скорость в 200 км/ч.
Это – при равномерном движении; а если вы хотите еще и разгоняться (или идти на подъем), необходима свободная мощность. Скажем, те же 22,5 л.с. на скорости 100 км/ч – плюс еще 10 л.с. на ускорение физического тела; II закон Ньютона. Или 50 л.с. – тогда разгон энергичнее.
Момент вытягивания может иметь решающее значение для применений, которые нуждаются в мощности для преодоления некоторых временных барьеров, достигающих условий труда. Момент размыкания - это самый высокий крутящий момент, доступный до момента, когда крутящий момент уменьшается, когда машина продолжает ускоряться до условий работы.
Момент затяжки при полной нагрузке или тормозной момент
Момент полной нагрузки - это крутящий момент, необходимый для создания номинальной мощности электродвигателя при полной нагрузке. Мощный крутящий момент в имперских единицах может быть выражен как. В метрических единицах номинальный крутящий момент может быть выражен как.
Как видите, и скорость автомобиля, и динамика его разгона зависят от мощности двигателя; как же ее поднять? Держать крутящий момент до высокой частоты вращения вала. Скажем, довести обороты того же микролитражного моторчика до 12 тыс. – при неизменном моменте в 11,7 Нм. Значит, его мощность увеличивается ровно вдвое – до 20 л.с. В общем, тут такое соотношение:
Пример - электрический двигатель и тормозной момент
Ускоряющий крутящий момент = Доступный крутящий момент двигателя - Крутящий момент нагрузки. Умягчители с пониженным напряжением используются для ограничения пускового тока, уменьшающего крутящий момент запираемого ротора или пускового момента, и распространены в приложениях, которые трудно запускать или их необходимо обрабатывать с помощью насосов с принудительным вытеснением, кранов, лифтов и тому подобного.
Если вы пропустили первые две статьи, вы можете найти. Ну, какие кривые мы можем узнать? . Пара с очень низкой скоростью. Не важно для «гоночного» использования, это более важно для повседневного использования: стадия запуска. Форма кривой крутящего момента.
P = 1/716,2 M x n ,
где P – мощность двигателя (л.с.) при n мин -1 , M – его крутящий момент (кгм) при тех же оборотах. А 1/716,2 – просто коэффициент размерности.
К сожалению, повышать частоту вращения вала поршневого двигателя очень непросто: силы инерции, нагрузки, трение. Ведь если раскрутить мотор от 6000 до 12000 мин -1 , то силы инерции, которые нагружают детали конструкции, возрастают вчетверо. Нелинейно – по квадрату оборотов. И когда 2,4-литровые «восьмерки» в Формуле 1 развивают максимальную мощность при 19500 мин -1 , то силы инерции при такой частоте выше, чем при 6 тыс. оборотов, вовсе не в 3,25 раза. А в 3,25 х 3,25 = 10,5 раз! Внутреннее трение нарастает еще быстрее (от 6 до 19,5 тыс. раз в 35); к тому же ухудшается наполнение цилиндров топливовоздушной смесью – и крутящий момент неотвратимо падает. Поэтому у каждого двигателя есть точка перегиба на кривой мощности по частоте вращения вала. У каждого своя, но после точки перегиба мощность по оборотам уже не повышается, а наоборот – падает. Не говоря уже об опасности перекрутить мотор и разрушить его стремительно нарастающими силами инерции.
Кривая крутящего момента определяет характер двигателя и сильно влияет на то, что чувствует водитель. Позже будет видно, что он отличается от разных типов двигателей. Говорят, что двигатель является гибким, когда он имеет большой запас крутящего момента. Запас крутящего момента соответствует отношению между крутящим моментом двигателя на максимальной скорости и максимальным крутящим моментом, который он может доставить.
Представьте себе, что во время спуска прохода он находится на максимальной скорости, ноги быстро вращаются. Прибытие внезапного подъема, есть две возможности. Велосипедист имеет силу в бедрах и поднимается на него, не меняя передач. У него был большой запас крутящего момента. Если это был двигатель, похоже, он гибкий.
Есть и другой путь: увеличивать крутящий момент. Тут главный прием – : прокачивайте через ваш моторчик вдвое больше воздуха (и соответственно горючего), и крутящий момент повысится, грубо говоря, в 2 раза – при тех же оборотах. И всего делов. Правда, нарастают тепловые нагрузки, возникают другие головные боли…
Теперь забудем про редукторы; вы нередко видите графики крутящего момента и мощности двигателей по оборотам – так называемая внешняя скоростная (внешняя – потому что при полном «газе», а скоростная – поскольку по скорости вращения вала) характеристика. Так вот, вам достаточно видеть одну из кривых – либо момента, либо мощности; все равно. Другая восстанавливается из первой – и наоборот. Их приводят обе просто для удобства, – чтобы вам не заниматься сложнейшими арифметическими расчетами.
Велосипедист не имеет больше сил в бедрах, чем он предоставлял в спуске. Он вынужден переключать передачи и вернуться к режиму педалей, который позволит ему подняться на горб. Эта особенность особенно полезна для широкого использования двигателя. Он количественно определяет способность двигателя оставаться в пределах своего максимального диапазона мощности без переключения передач. Реверс гибкого двигателя представляет собой острый двигатель: в этом случае водитель постоянно вынуждается обращаться с рычагом переключения передач.
Диапазон использования двигателя. Он рассчитывается как отношение максимальной скорости и максимальной скорости вращения двигателя. Еще раз здесь, это значение в основном полезно, если вы считаете, что «толчок» использует двигатель, и, конечно, не когда вы отправляете свою палочку в воскресенье утром.
Скоростная характеристика бензиновой «шестерки» GS450h: наибольший крутящий момент при 4800 мин-1, влево он уменьшается. А ниже 1000 оборотов лучше вообще не опускаться
То есть, связь между крутящим моментом, оборотами вала и мощностью двигателя однозначная – как между длиной основания треугольника, его высотой и площадью. Независимо от того, прямоугольный он, косоугольный и какого цвета.
Максимальный режим мощности. Для данной включенной скорости это скорость, с которой достигается максимальная скорость. Для данной задействованной скорости это скорость, с которой можно подняться на самый высокий склон. Это двигатель, который можно считать самым «благородным». Сгенерированный крутящий момент является результатом собственных характеристик двигателя и оптимизации, выполняемой на волнах давления на входе и в выхлопе.
Затем приходит диапазон использования, чтобы подтолкнуть зверя на небольшие дороги или контуры. Как вы можете себе представить, уменьшенный рабочий диапазон и запас крутящего момента «всего» 17% делают этот двигатель резким двигателем. Вывод: двигатель, который можно использовать на ежедневной основе, но нужно будет «поразить его» и не стесняться играть в коробку, чтобы привлечь весь свой потенциал.
Скоростная характеристика тягового э-мотора Lexus GS450h: наибольший крутящий момент при 0 оборотов!
И забавно, когда фирменный пресс-релиз прокалывается по простейшему правилу, – скажем, на web-сайте новоявленной калифорнийской компании DiMora Motorcar. По проекту ультра-люкс-седана Natalia, максимальная мощность 16-цилиндрового(!) мотора Volcano превышает 1200 л.с. Наибольший крутящий момент – 1220 Нм (900 футо-фунтов); однако тут не сходится. По сведениям от DiMora же, «отсечка» срабатывает на 6500 мин -1 ; значит, максимальная мощность достигается при 6000-6250. Но тогда наибольший момент ну никак не меньше 1400 Нм, а вернее все 1500. Арифметика: 2 х 2 = 4 и в солнечной Калифорнии.
Эластичность двигателя
Взгляните еще раз на кривую крутящего момента: она дает ключевую характеристику двигателя – его эластичность. Надо сказать, у автомобильных д.в.с. кривая неблагоприятная – то ли дело у газовой турбины, паровой машины, электромотора. Они выдают наибольший крутящий момент при низких оборотах – и даже при полной остановке вала. То есть, как лошадь: замедляют ход, напрягаются – и вытаскивают повозку. А попробуйте остановить вал ВАЗовской «четверки» или 12-цилиндрового двигателя Rolls-Royce – они попросту заглохнут.
График крутящего момента у обычного д.в.с. левее 1000 мин -1 обычно и не рисуют; он не способен работать на оборотах ниже «холостого хода». Тогда как у э–мотора кривая поднимается к 0 оборотов – примерно по гиперболе; исключительная эластичность. При увеличении нагрузки (крутой подъем и т.п.) э–мотор теряет обороты – и увеличивает крутящий момент; сопротивляется до упора! А д.в.с. при падении частоты вращения (ниже «пиковых» по крутящему моменту) сопротивляется все слабее – и в конце концов останавливается. Две большие разницы, как говорят в Одессе.
Отсюда, кстати, идея «гибридных» : тяговый э–мотор принимает на себя нагрузку именно там, где д.в.с. беспомощен. На самых «низах»; а обычно автомобильный двигатель выдает наибольший крутящий момент где-то при промежуточных частотах вращения вала. Причем у «остро» настроенного мотора пик момента сдвинут к высоким оборотам, а при низких он тянет слабо. Тогда и говорят о выраженном «подхвате»; ничего тут хорошего нет.
Так что же все-таки важнее – крутящий момент или мощность? Ответ: разумеется, нужен крутящий момент – в широком диапазоне оборотов! В том числе и при самой высокой частоте вращения вала, – то есть, мощность.
Длина и расстояние Масса Меры объема сыпучих продуктов и продуктов питания Площадь Объем и единицы измерения в кулинарных рецептах Температура Давление, механическое напряжение, модуль Юнга Энергия и работа Мощность Сила Время Линейная скорость Плоский угол Тепловая эффективность и топливная экономичность Числа Единицы измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Угловая скорость и частота вращения Ускорение Угловое ускорение Плотность Удельный объем Момент инерции Момент силы Вращающий момент Удельная теплота сгорания (по массе) Плотность энергии и удельная теплота сгорания топлива (по объему) Разность температур Коэффициент теплового расширения Термическое сопротивление Удельная теплопроводность Удельная теплоёмкость Энергетическая экспозиция, мощность теплового излучения Плотность теплового потока Коэффициент теплоотдачи Объёмный расход Массовый расход Молярный расход Плотность потока массы Молярная концентрация Массовая концентрация в растворе Динамическая (абсолютная) вязкость Кинематическая вязкость Поверхностное натяжение Паропроницаемость Паропроницаемость, скорость переноса пара Уровень звука Чувствительность микрофонов Уровень звукового давления (SPL) Яркость Сила света Освещённость Разрешение в компьютерной графике Частота и длина волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Электрический заряд Линейная плотность заряда Поверхностная плотность заряда Объемная плотность заряда Электрический ток Линейная плотность тока Поверхностная плотность тока Напряжённость электрического поля Электростатический потенциал и напряжение Электрическое сопротивление Удельное электрическое сопротивление Электрическая проводимость Удельная электрическая проводимость Электрическая емкость Индуктивность Американский калибр проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Магнитодвижущая сила Напряженность магнитного поля Магнитный поток Магнитная индукция Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Радиоактивный распад Радиация. Экспозиционная доза Радиация. Поглощённая доза Десятичные приставки Передача данных Типографика и обработка изображений Единицы измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
1 ньютон-метр [Н·м] = 10,1971621297793 килограмм-сила-сантиметр [кгс·см]
Исходная величина
Преобразованная величина
ньютон-метр ньютон-сантиметр ньютон-миллиметр килоньютон-метр дина-метр дина-сантиметр дина-миллиметр килограмм-сила-метр килограмм-сила-сантиметр килограмм-сила-миллиметр грамм-сила-метр грамм-сила-сантиметр грамм-сила-миллиметр унция-сила-фут унция-сила-дюйм фунт-сила фут фунт-сила дюйм
Подробнее о вращающем моменте
Общие сведения
Кода на тело действует сила в определенном направлении - тело поворачивается. Это стремление силы поворачивать тело описывается физической величиной - вращающим моментом или моментом силы. Сама сила, которая вызывает поворот или кручение, а также расстояние между точкой ее приложения и точкой вращения тела влияют на момент силы. В данном случае сила - векторная величина, поэтому важно также и направление силы, то есть угол между направлением силы и отрезком, соединяющим точку приложения силы и центр вращения тела. Если этот угол прямой, то есть сила приложена перпендикулярно отрезку, то момент силы - максимальный. По мере того, как сила становится параллельной отрезку, момент силы уменьшается. То есть, чем ближе угол к 0° или 180°, тем слабее момент силы, пока он не становится равным нулю, когда направление силы параллельно отрезку. Удобно представить момент силы, как комбинацию расстояния, на которое удалена сила от точки вращения, и силы, которая необходима, чтобы заставить тело вращаться с определенной интенсивностью.
Давайте посмотрим на эту взаимосвязь на иллюстрации. Здесь силы F2, F3 и F5 перпендикулярны отрезку между осью вращения, обозначенной голубым цветом в центре штурвала, и точкой приложения силы. Создаваемый ими момент силы - максимален. С другой стороны, силы F1 и F4 приложены под углом, отличным от 90°, и создаваемый ими момент силы не максимален. То есть, момент силы этих двух сил отличается от момента силы других трех сил, хотя величина всех сил на рисунке - одинакова.
Чтобы повернуть тело под воздействием силы с заданными условиями, необходимо создать момент силы. Так как эта величина зависит и от расстояния, и от силы, то для получения заданного момента можно изменять либо силу, либо расстояние от точки приложения до точки вращения. Люди используют эту зависимость испокон веков.
Использование момента силы в быту и технике
Обычно легче увеличить расстояние между телом и точкой приложения силы, чем саму силу. Поэтому чаще всего, когда силы человека или животного недостаточно для того или иного задания, которое включает вращение, используют рычаги и другие устройства, чтобы увеличить расстояние между силой и осью вращения, и тем самым увеличить момент силы. Например, чтобы повернуть мельницу или колесо, на которое наматывают цепь, чтобы поднять тяжелый мост, люди или животные вращают устройства с длинными ручками или рычагами. Длинные рычаги и ручки позволяют увеличить приложенное усилие. Это увеличение пропорционально расстоянию между осью вращения тела и точкой приложения силы.
Велосипедные педали
Момент силы используется также в педалях велосипедов. Чем дальше ступня от центра велосипедного колеса, тем меньше нужно силы, чтобы повернуть это колесо с помощью педали. Длина наших ног ограничивает максимальную длину педалей - если сделать педали длиннее, чем делают их сейчас на современных велосипедах, то крутить их будет неудобно. Несмотря на эти ограничения, педали сильно облегчают передвижение на велосипеде. Конструкция велосипедных педалей настолько удобна, что некоторые люди, особенно в развивающихся странах, где не всегда есть доступ к новейшей технике, используют велосипедные педали в конструкции других устройств, где нужно ножное или ручное управление. Иногда такие педали устанавливают на инвалидные коляски, чтобы облегчить ручное кручение колес. В этом случае можно немного удлинить педали, чтобы увеличить момент силы, хотя это может несколько затруднить управление коляской.
Гаечный ключ
Гаечные ключи используют момент силы, чтобы уменьшить силу, необходимую для затягивания или откручивания гайки или болта. Гаечный ключ сделан так, чтобы его удобно было держать, но в то же время его длинная ручка увеличивает силу, к нему приложенную, чтобы затянуть или открутить болт или гайку. Иногда достаточно маленького ключа с короткой ручкой, но в некоторых случаях нужна ручка длиннее, например, если мы пытаемся открутить заржавевшую гайку. Если под рукой не оказалось гаечного ключа, можно использовать плоскогубцы. Их длинные ручки создают достаточно высокий момент силы, хотя иногда они сжимают гайку или винт недостаточно сильно, и могут их повредить.
Удобство гаечного ключа в том, что когда он подобран по размеру к гайке, сила нужна только для того, чтобы повернуть ключ, но не для того, чтобы удерживать его на гайке. Плоскогубцы, наоборот, нужно удерживать вокруг гайки, чтобы они не сорвались, и на это тратится дополнительная сила. Именно поэтому во многих случаях гаечный ключ более экономичен с точки зрения затраченной энергии. С другой стороны, в некоторых случаях плоскогубцы удобнее - например их можно использовать под углом в труднодоступных местах, в то время как гаечный ключ часто работает только в одной плоскости с гайкой. Если откручивать гайку под наклоном, то момент силы уменьшится, но это лучше, чем совсем не иметь возможности ее отвернуть.
Аналогично работают и инструменты, предназначенные для отвинчивания крышек с законсервированных банок. Обычно это резиновый жгут, прикрепленный к ручке так, что жгут образует петлю, диаметр которой регулируется. Сама петля закрепляется на крышке и не влияет на момент силы, а вот ручка как раз помогает создать нужный момент. Чем она больше, тем больше момент силы. Благодаря ему, банку открыть намного легче, чем руками, с использованием полотенца или материала с высоким коэффициентом трения.
Маховик
Хороший пример устройства, которое использует момент силы - маховик. Момент силы приводит его в движение, а также помогает ускорить маховик и, благодаря этому движению, получить энергию. Маховик накапливает и хранит ее для дальнейшего использования. Если эта энергия нужна для других целей, то момент силы, наоборот, замедляет скорость маховика, и вырабатывается энергия, которую потом используют по назначению. Маховики используют в случае, если источник энергии работает в прерывистом режиме, а энергия нужна постоянно. Именно так используют маховики в двигателях автомобилей, где энергия выделяется «вспышками», при сгорании топлива.
В некоторых случаях нужен обратный эффект, то есть необходимо кратковременно подать большое количество энергии, обычно больше, чем источник энергии может выработать в течение заданного промежутка времени. В такой ситуации маховик на протяжении некоторого времени накапливает энергию, поступающую небольшими порциями, чтобы потом отдать нужное количество.
Качели и рычаги
Сила, с которой два ребенка надавливают на качели-балансир, когда сидят по обе стороны от центра, двигает эти качели вверх и вниз. То есть, при этом происходит частичное вращение качелей вокруг своей оси. Если вес обоих детей приблизительно одинаков, то они легко могут качаться на таких качелях. Детям разного веса намного труднее - более тяжелый ребенок тянет качели со своей стороны вниз, а более легкому ребенку не хватает веса, чтобы опустить качели в свою сторону. Это происходит потому, что вес тяжелого ребенка производит больший момент силы. Чтобы решить эту проблему, большому ребенку нужно пересесть ближе к центру настолько, насколько его вес превышает вес второго ребенка. Например, если большой ребенок в три раза тяжелее, то пересесть ему нужно в три раза ближе, и тогда качели придут в равновесие.
Рычаги действуют аналогично: момент силы в них используется для того, чтобы уменьшить силу, нужную для совершения определенной работы. Обычно рычаг - это продолговатый предмет, например ручка или планка, которая вращается вокруг точки, называемой центром вращения или точкой опоры. К другой точке рычага прикладывают силу, которая, благодаря длине рычага, увеличивается или уменьшается в зависимости от конструкции рычага и его назначения.
Рычаги делят на три рода, в зависимости от того, где точка опоры, как приложена сила , которая их поворачивает, и где приложена сила сопротивления . Обычно их называют рычагами первого, второго, и третьего рода. Иногда не совсем понятно, при чем тут сила сопротивления, но она действительно есть. Она противодействует силе, которая направлена на то, чтобы повернуть рычаг. Когда приложенная сила больше силы сопротивления, рычаг поворачивается. Мы, а также другие животные, используем эти принципы в организме, и части нашего тела становятся рычагами, как показано на примерах ниже.
Рычаг первого рода похож по конструкции на детские качели-балансир, описанные выше. точка опоры в них посередине, сила приложена на одном конце, а сопротивление возникает на другом конце. Ось вращения в рычаге второго рода находится с одного края рычага, и рядом с ним возникает сопротивление. Сила прилагается к такому рычагу на другом конце. Рычаг третьего рода устроен похоже, но ближе к центру вращения, находящемуся у конца рычага, не сопротивление, а сила, прикладываемая к рычагу. Сопротивление возникает на другом конце рычага.
Рычаги первого рода
Равноплечие весы с чашками - пример рычагов первого рода. Ножницы - тоже, только они состоят из двух рычагов, соединенных между собой. С их помощью намного легче, чем ножом, аккуратно разрезать некоторые материалы, например бумагу или ткань. Чем длиннее ручки, тем более толстые и твердые материалы можно разрезать. С другой стороны, чем дальше поместить от оси вращения материал, который нужно разрезать, тем труднее это сделать.
Чем толще материал, который нужно разрезать, тем больший момент силы необходим для этого, и тем длиннее должны быть ручки ножниц и прочнее материал, из которых они сделаны. В некоторых случаях к ножницам добавляют пружину, которая делает их более удобными в использовании. Так, например, устроен садовый секатор. Кроме этого у специализированных ножниц бывают и другие особенности. В медицине используют ножницы с закругленными, тупыми и острыми концами, в зависимости от их назначения. В отличие от скальпеля, ими удобнее работать и у них механическое преимущество над скальпелем, хотя скальпель тоже широко используется, так как в некоторых случаях он удобнее ножниц. Медицинские ножницы, предназначенные для использования врачами скорой помощи, закруглены на конце, чтобы можно было разрезать ими одежду, не повредив кожи. Некоторые медицинские ножницы - очень маленькие. Например, офтальмологические хирургические ножницы могут быть всего 6 сантиметров длиной, с лезвием до 2 сантиметров, и даже короче.
Лом-монтировку или лом-гвоздодер, называемый также «фомкой» тоже можно считать рычагом первого рода, хотя иногда, в зависимости от использования, он может быть и рычагом второго или третьего рода. Чаще всего его используют, чтобы вынуть забитые гвозди, или разобщить два предмета, соединенных клеем, гвоздями, скрепками, и аналогичными способами. Лом получил дурную репутацию, как инструмент воров, взломщиков, и других преступников, хотя на самом деле преступники используют любые подручные материалы и инструменты, лишь бы они помогли добиться конечного результата.
Пример рычага первого рода в организме людей и некоторых животных - голова. Она находится в равновесии на шее. Шея - центр вращения, сила мышц прилагается с одной стороны головы, сила сопротивления - с другой. Когда приложенная сила достаточно велика, голова наклоняется в сторону направления этой силы.
Рычаги второго рода
Примеры рычагов второго рода - челюсти людей и животных, и клювы птиц. Являются ими и щипцы для орехов, а также декоративные щелкунчики. Щипцы чаще всего делают из металла, хотя иногда встречаются изделия и из других материалов, например из дерева. Щелкунчики - стилизованные щипцы, сделанные из дерева, и украшенные наподобие кукол. Раньше их использовали по прямому назначению, но сейчас это по большей части украшения. Чаще всего их делают в форме солдат, королей, и других фигурок. В США и Канаде такие фигурки часто используют как новогодние украшения. Считается, что щелкунчиков начали делать в лесистых районах Германии. Их там делают на продажу как сувениры и до сих пор. Сейчас для расщепления орехов чаще всего используют обычные щипцы, а не щелкунчиков. Такие щипцы похожи на щипцы для расщепления клешней крабов и омаров. Кстати, сами крабовые и омаровые клешни - тоже рычаги второго ряда, и работают по тому же принципу, что и щипцы для орехов.
Чеснокодавилка - еще один пример рычагов второго ряда. По устройству она похожа на щипцы для орехов. Ее часто используют в быту, хотя некоторые повара предпочитают мелко резать чеснок, и считают, что чеснокодавилка портит вкус чеснока. Другие, наоборот, пользуются только чеснокодавилкой, так как вкус чеснока при ее использовании усиливается.
Ступня людей и некоторых животных - тоже рычаг второго типа. Точка опоры в этом случае в районе пальцев, мышцы ноги прикладывают силу около пятки, а сила сопротивления - это наш вес. Этот «рычаг» позволяет нам держать равновесие, а также подниматься и опускаться на пальцах.
Другие примеры рычагов второго класса - тачки, тормоза в автомобиле и двери. Если толкнуть дверь рядом с осью вращения, то она вряд ли откроется, но если толкать как можно дальше от этой оси, то даже тяжелая дверь легко поддается. Именно поэтому ручки делают со стороны, противоположной расположению петель. Чтобы даже тяжелую дверь было легко открывать, ее можно сделать шире.
Открывалки для бутылок - тоже рычаги второго класса, особенно те, что не прикреплены к стене, как в некоторых барах и ресторанах. В некоторых перочинных ножах имеются маленькие открывалки; также популярны брелки-открывалки. Если под рукой нет открывалки, то иногда получается использовать подручные материалы, например нож или вилку. Сами открывалки можно в некоторых случаях использовать, чтобы поддеть закрученную крышку на банке - если сделать это удачно, то банка легче откроется. Иногда открывалки используют как рычаги первого класса. В этом случае открывалку закрепляют на крышке иначе и давят на нее снизу, а не сверху, как с рычагами второго рода.
Рычаги третьего рода
Если поднимать рукой тяжелые предметы, сгибая локоть, то рука становится рычагом третьего рода. Во время бега и ходьбы, ноги тоже становятся рычагами. Точка опоры рычага в этом случае - в локтях и коленях. Если «продлить» руку инструментом, например бейсбольной битой или теннисной ракеткой, то опять получится рычаг третьего рода. Чтобы заставить этот рычаг двигаться, силу прикладывают возле центра вращения. При этом сопротивление образуется на другом конце. В случае с ракеткой и битой, сопротивление - в месте, где они соприкасаются с мячом. Удочка - тоже рычаг третьего рода, и сила прикладывается к ней в районе запястья.
Другие примеры рычагов третьего рода - молоток, и аналогичные инструменты, такие как лопаты, грабли, веники, и мухобойки. Некоторые инструменты состоят сразу из двух рычагов, действующих по направлению друг к другу. Так устроены, например, пинцет, степлер и щипцы.
Пример
Теперь давайте рассмотрим пример. Представим, что обычный человек среднего телосложения может поднять камень весом в 20 кг. Конечно, это будет нелегко, и придется сильно напрячь мышцы, но поднять такой камень вполне возможно. С другой стороны, маленький ребенок такой камень поднять не в состоянии. Если же дать ребенку достаточно длинный и прочный лом и научить его, как им пользоваться, то он справится с этой задачей, так как сила, нужная для того, чтобы поднять камень, намного уменьшится. Архимед говорил, что он может сдвинуть Землю, если встанет достаточно далеко от нее, и возьмет длинный рычаг. Это утверждение основано на таком же принципе. После того, как мы поднимем наш 20-ти-киллограммовый камень с помощью лома - рычага первого рода - мы можем погрузить его на тачку - рычаг второго рода - и отвезти, куда необходимо, поднимая за ручки руками - рычагами третьего рода.
Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.
