Contente
- Fundamentos da Física Newtoniana
- Visão geral de máquinas simples
- Noções básicas de alavanca
- Torque e momentos em física
- Terminologia e tipos de alavancas
- Exemplos de alavanca composta
- Cálculo da força do braço da alavanca
Praticamente todo mundo sabe o que é alavanca é, embora a maioria das pessoas possa se surpreender ao saber quão ampla é a variedade de máquinas simples qualificar como tal.
Em termos gerais, uma alavanca é uma ferramenta usada para "forçar" algo solto de uma maneira que nenhum outro aparelho não motorizado possa gerenciar; na linguagem cotidiana, diz-se que alguém que conseguiu obter uma forma única de poder sobre uma situação possui "influência".
Aprender sobre alavancas e como aplicar as equações pertinentes ao seu uso é um dos processos mais gratificantes que a física introdutória oferece. Inclui um pouco de força e torque, introduz o conceito contra-intuitivo, mas crucial de multiplicação de forçase disca para conceitos fundamentais como trabalhos e formas de energia na barganha.
Uma das principais vantagens das alavancas é que elas podem ser facilmente "empilhadas" de maneira a criar um vantagem mecânica. Os cálculos das alavancas compostas ajudam a ilustrar o quão poderosa e humilde pode ser uma "cadeia" bem projetada de máquinas simples.
Fundamentos da Física Newtoniana
Isaac Newton (1642-1726), além de ser creditado com a co-invenção da disciplina matemática do cálculo, expandiu o trabalho de Galileu Galilei para desenvolver relações formais entre energia e movimento. Especificamente, ele propôs, entre outras coisas, que:
Os objetos resistem a mudanças em sua velocidade de maneira proporcional à sua massa (a lei da inércia, primeira lei de Newton);
Uma quantidade chamada força atua nas massas para alterar a velocidade, um processo chamado aceleração (F = ma, Segunda lei de Newton);
Uma quantidade chamada impulso, o produto de massa e velocidade, é muito útil em cálculos, pois é conservado (isto é, sua quantidade total não muda) em sistemas físicos fechados. Total energia também é conservado.
A combinação de vários elementos desses relacionamentos resulta no conceito de trabalhos, qual é força multiplicada a distância: W = Fx. É através dessa lente que começa o estudo das alavancas.
Visão geral de máquinas simples
As alavancas pertencem a uma classe de dispositivos conhecida como máquinas simples, que também inclui engrenagens, polias, planos inclinados, cunhas e parafusos. (A própria palavra "máquina" vem de uma palavra grega que significa "ajudar a facilitar".)
Todas as máquinas simples compartilham uma característica: elas multiplicam a força em detrimento da distância (e a distância adicional geralmente é oculta). A lei de conservação de energia afirma que nenhum sistema pode "criar" trabalho do nada, mas porque W = Fx, mesmo que o valor de W seja restrito, as outras duas variáveis na equação não são.
A variável de interesse em uma máquina simples é sua vantagem mecânica, que é apenas a razão entre a força de saída e a força de entrada: MA = Fo/ FEu. Frequentemente, essa quantidade é expressa como vantagem mecânica ideal, ou IMA, que é a vantagem mecânica que a máquina desfrutaria se não houvesse forças de atrito.
Noções básicas de alavanca
Uma alavanca simples é uma haste sólida de algum tipo que pode girar livremente sobre um ponto fixo chamado de fulcro se forças são aplicadas à alavanca. O ponto de apoio pode ser localizado a qualquer distância ao longo do comprimento da alavanca. Se a alavanca estiver experimentando forças na forma de torques, que são forças atuando em torno de um eixo de rotação, a alavanca não se moverá, desde que a soma das forças (torques) que atuam na haste seja zero.
O torque é o produto de uma força aplicada mais a distância do ponto de apoio. Assim, um sistema que consiste em uma única alavanca sujeita a duas forças F1 e F2 a distâncias x1 e x2 do ponto de apoio está em equilíbrio quando F1x1 = F2x2.
Entre outras interpretações válidas, essa relação significa que uma força forte atuando a uma curta distância pode ser precisamente contrabalançada (assumindo que não há perda de energia devido ao atrito) por uma força mais fraca agindo a uma distância maior e de maneira proporcional.
Torque e momentos em física
A distância do ponto de apoio ao ponto em que uma força é aplicada a uma alavanca é conhecida como braço de alavanca, ou braço momento. (Nestas equações, foi expresso usando "x" para simplicidade visual; outras fontes podem usar um "l" minúsculo).
Os torques não precisam atuar perpendicularmente às alavancas, embora, para qualquer força aplicada, um ângulo reto (ou seja, 90 °) produza a quantidade máxima de força porque, simplesmente para a questão, sin 90 ° = 1.
Para que um objeto esteja em equilíbrio, a soma das forças e os torques que atuam nesse objeto devem ser zero. Isso significa que todos os torques no sentido horário devem ser balanceados exatamente pelos torques no sentido anti-horário.
Terminologia e tipos de alavancas
Geralmente, a idéia de aplicar uma força a uma alavanca é mover algo "alavancando" o compromisso bilateral garantido entre força e braço da alavanca. A força que você está tentando se opor é chamada de força de resistência, e sua própria força de entrada é conhecida como força de esforço. Assim, você pode pensar na força de saída como atingindo o valor da força de resistência no instante em que o objeto começa a girar (isto é, quando as condições de equilíbrio não são mais atendidas.
Graças às relações entre trabalho, força e distância, a MA pode ser expressa como
MA = Fr/ Fe = de/ dr
Onde de é a distância que o braço de esforço se move (rotativamente falando) edr é a distância que o braço da alavanca de resistência se move.
Alavancas entram três tipos.
Exemplos de alavanca composta
UMA alavanca composta é uma série de alavancas agindo em conjunto, de modo que a força de saída de uma alavanca se torne a força de entrada da próxima alavanca, permitindo, por fim, um tremendo grau de multiplicação de força.
As teclas do piano representam um exemplo dos excelentes resultados que podem surgir da construção de máquinas que apresentam alavancas compostas. Um exemplo mais fácil de visualizar é um conjunto típico de cortadores de unhas. Com isso, você aplica força a uma alça que une duas peças de metal graças a um parafuso. A alça é unida à peça superior de metal por esse parafuso, criando um ponto de apoio, e as duas peças são unidas por um segundo ponto de apoio na extremidade oposta.
Observe que, quando você aplica força à alça, ela se move muito mais longe (se houver apenas uma polegada) do que as duas pontas afiadas da tesoura, que precisam apenas mover alguns milímetros para se fecharem e realizarem o trabalho. A força que você aplica é facilmente multiplicada graças a dr sendo tão pequeno.
Cálculo da força do braço da alavanca
Uma força de 50 newtons (N) é aplicada no sentido horário a uma distância de 4 metros (m) de um ponto de apoio. Que força deve ser aplicada a uma distância de 100 m do outro lado do ponto de apoio para equilibrar essa carga?
Aqui, atribua variáveis e configure uma proporção simples. F1= 50 N, x1 = 4 me ex2 = 100 m.
Você sabe que F1x1 = F2x2então x2 = F1x1/ F2 = (50 N) (4 m) / 100m = 2 N.
Assim, é necessária apenas uma força minúscula para compensar a carga de resistência, desde que você esteja disposto a manter o comprimento de um campo de futebol para fazê-lo!