事実上誰もが何を知っていますかレバーですが、ほとんどの人は、単純な機械そのように資格を与えます。
大まかに言えば、レバーは、他の非電動装置では管理できない方法で、何かを「こじ開ける」ために使用されるツールです。 日常の言葉では、ある状況に対して独自の力を得ることができた人は、「レバレッジ」を持っていると言われています。
レバーとその使用に関連する方程式を適用する方法について学ぶことは、入門物理学が提供するよりやりがいのあるプロセスの1つです。 力とトルクについて少し説明し、直感に反するが重要な概念を紹介します。力の掛け算、などのコアコンセプトにダイヤルインします作業と掘り出し物のエネルギーの形。
レバーの主な利点の1つは、重要なものを作成するような方法で簡単に「積み重ねる」ことができることです。メカニカルアドバンテージ. 複合レバーの計算は、単純な機械の適切に設計された「チェーン」がいかに強力でありながら謙虚であるかを説明するのに役立ちます。
ニュートン物理学の基礎
アイザック・ニュートン（1642–1726）、の数学的分野を共同発明したことでクレジットされていることに加えて 微積分学、ガリレオ・ガリレイの仕事を拡張して、エネルギーと モーション。 具体的には、彼はとりわけ、次のことを提案しました。
オブジェクトは、質量に比例する方法で速度の変化に抵抗します（慣性の法則、ニュートンの最初の法則）。
と呼ばれる量力質量に作用して速度を変化させる、と呼ばれるプロセス加速度 (F = ma、ニュートンの第2法則）;
と呼ばれる量勢い、質量と速度の積は、閉じた物理システムで保存される（つまり、その合計量が変化しない）という点で、計算に非常に役立ちます。 合計エネルギーも保存されます。
これらの関係のいくつかの要素を組み合わせると、次の概念が得られます。作業、これは距離を掛けた力:
W = Fx
レバーの研究が始まるのはこのレンズを通してです。
単純機械の概要
レバーは、として知られているデバイスのクラスに属しています単純な機械、これにはギア、プーリー、傾斜面、ウェッジそしてネジ. （「機械」という言葉自体は、「助けて簡単にする」という意味のギリシャ語に由来しています。）
すべての単純なマシンは1つの特性を共有します。距離を犠牲にして力を増やします（そして、追加された距離はしばしば巧妙に隠されます）。 エネルギー保存の法則は、システムが何もないところから作業を「作成」できないことを確認していますが、Wの値が制約されている場合でも、方程式の他の2つの変数は制約されていません。
単純なマシンで関心のある変数はメカニカルアドバンテージ、これは入力力に対する出力力の比率です。
MA = \ frac {F_o} {F_i}
多くの場合、この量は次のように表されます。理想的なメカニカルアドバンテージ、またはIMA。これは、摩擦力が存在しない場合にマシンが享受するメカニカルアドバンテージです。
レバーの基本
単純なレバーは、と呼ばれる固定点を中心に自由に回転できる、ある種の頑丈なロッドです。支点レバーに力が加わった場合。 支点は、レバーの長さに沿って任意の距離に配置できます。 レバーがトルクの形で力を受けている場合、これは次の軸の周りに作用する力です。 回転すると、ロッドに作用する力（トルク）の合計がゼロの場合、レバーは動きません。
トルクは、加えられた力と支点からの距離の積です。 したがって、2つの力を受ける単一のレバーで構成されるシステムF1そしてF2距離xで1 およびx2 支点からは、次の場合に平衡状態になります。F1バツ1 = F2バツ2.
- Fとxの積はaと呼ばれます瞬間、これは、オブジェクトを何らかの方法で回転させ始める力です。
他の有効な解釈の中で、この関係は、短い距離に作用する強い力が正確になり得ることを意味します より長い距離にわたって作用するより弱い力によって、比例して（摩擦によるエネルギー損失がないと仮定して）釣り合いをとる マナー。
物理学におけるトルクとモーメント
支点からレバーに力が加えられる点までの距離は、レバーアーム、またはモーメントアーム. （これらの式では、視覚的に簡単にするために「x」を使用して表されています。 他のソースでは小文字の「l」を使用する場合があります。）
トルクはレバーに対して直角に作用する必要はありませんが、与えられた力に対しては直角に作用します。 （つまり、90°）角度は最大量の力を生み出します。なぜなら、簡単に言えば、sin90°だからです。 = 1.
オブジェクトが平衡状態になるには、そのオブジェクトに作用する力とトルクの合計が両方ともゼロである必要があります。 これは、すべての時計回りのトルクが反時計回りのトルクによって正確にバランスが取れている必要があることを意味します。
レバーの用語と種類
通常、力をレバーに加えるという考えは、力とレバーアームの間の確実な双方向の妥協点を「活用」することによって何かを動かすことです。 あなたが反対しようとしている力は、抵抗力、そしてあなた自身の入力力はとして知られています努力力. したがって、出力力は、オブジェクトが回転し始めた瞬間（つまり、平衡条件が満たされなくなったとき）に抵抗力の値に達すると考えることができます。
仕事、力、距離の関係のおかげで、MAは次のように表すことができます
MA + \ frac {F_r} {F_e} = \ frac {d_e} {d_r}
ここで、De エフォートアームが移動する距離（回転的に言えば）およびdr 抵抗レバーアームが動く距離です。
レバーが入ってくる3種類.
- 最初の注文：支点は努力と抵抗の間にあります（例：「シーソー」）。
- 二次：努力と抵抗は支点の同じ側にありますが、支点から離れた努力で反対方向を指します（例：手押し車）。
- 三次：力と抵抗は支点の同じ側にありますが、反対方向を指し、荷重は支点から遠くなります（例：古典的なカタパルト）。
複合レバーの例
A複合レバーは協調して動作する一連のレバーであり、1つのレバーの出力力が次のレバーの入力力になるため、最終的には非常に大きな力の増加が可能になります。
ピアノの鍵盤は、複合レバーを備えた機械の製造から生まれる素晴らしい結果の一例です。 視覚化するのが簡単な例は、爪切りの典型的なセットです。 これらを使用して、ネジのおかげで2つの金属片を引き寄せるハンドルに力を加えます。 ハンドルはこのネジで上部の金属片に結合されて1つの支点を作成し、2つの部分は反対側の端で2番目の支点によって結合されます。
ハンドルに力を加えると、ハンドルはよりもはるかに遠くに移動することに注意してください（1インチ程度の場合）。 2つの鋭いクリッパーの端は、数ミリメートル移動するだけで互いに閉じて、 ジョブ。 あなたが加える力はdのおかげで簡単に倍増しますr とても小さいです。
レバーアーム力の計算
50ニュートン（N）の力が、支点から4メートル（m）の距離で時計回りに加えられます。 この荷重のバランスをとるために、支点の反対側に100 mの距離でどのような力を加える必要がありますか？
ここでは、変数を割り当て、単純な比率を設定します。 F1= 50 N、x1 = 4mおよびx2 = 100メートル。
あなたはそのFを知っています1バツ1 = F2バツ2、 そう
x_2 = \ frac {f_1x_1} {F_2} = \ frac {50 \ times 4} {100} = 2 \ text {N}
したがって、サッカー場の長さを離れてそれを成し遂げることをいとわない限り、抵抗負荷を相殺するために必要な力はごくわずかです！