初中物理竞赛基础教程:杠杆
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第10讲杠杆
10.1 学习提要
简单机械可以改变力的大小和方向,是人们在生产活动中达到省力、方便的目的。
一根硬棒,在力的作用下如果能够绕着固定点转动,这根硬棒就叫杠杆,如图10-1所示,用硬棒撬动大石块。杠杆是在特定条件下的总名称,硬棒并不一定是直棒,可直可弯,任何形状都可以。
10.1.1 支点、力臂、动力、阻力
1. 支点
杠杆绕着转动的固定点,叫做支点。当有力作用在杠杆上时,杠杆绕其转动。对杠杆本身而言,这一点是固定的。
当物体体积较大时,支点不再是一个点,而成为一个转动轴,比如我们抬起木板时,以其与地面的接触线为转动轴。
2. 力臂
从支点到力的作用线的距离,叫做力臂,用字母L表示。力臂并不一定是杠杆上某一段长度,力臂的大小与其在杠杆上的作用点和动力与阻力的方向都有关。
如图10-2所示,在力F1(或F2或F3)的作用下,硬棒OA处于水平位置静止,同样作用于A点的三个力F1、F2、F3,其方向不同,对应的力臂也不同。在图10-2中,力F1的力臂是L1,力F2的力臂是L2,力F3的力臂是L3。
3. 动力和阻力
许多场合下,动力和阻力不能绝对区分,我们可设其中一个力为动力,则另一个力为阻力,这样的设定并不影响我们的研究。对于一个杠杆而言,动力和阻力对于使杠杆转动作用的方向总是相反的,即若阻力使杠杆顺时针旋转时,动力就必须使杠杆逆时针旋转,杠杆才能平衡。
当杠杆受到两个以上的力的作用时,按使杠杆转动方向区分动力和阻力较为方便。
10.1.2 杠杆的平衡
通常情况下,杠杆是在平衡或非常接近平衡的情况下使用的。所谓杠杆平衡,并非指杠杆一定处于水平位置而静止,而是指杠杆在力的作用下保持静止状态或匀速转动状态。
10.1.3 杠杆平衡的条件
杠杆是否平衡由动力、动力臂、阻力、阻力臂的关系决定,我们由大量实验得出杠杆平衡条件是“动力×动力臂=阻力×阻力臂”,即
F1∙L1=F2∙L2 或F1/F2=L2/L1
当杠杆受到多个力的作用而处于平衡状态时,则所有动力与动力臂乘积的和等于所有阻力与阻力臂乘积的和。
10.1.4 杠杆应用的实例
1. 省力杠杆
动力臂大于阻力臂的杠杆,他虽然省力,但要多移动距离,如图10-3所示。例如剪铁片的剪刀、开瓶盖的起子、撬石头的硬棒等都是省力杠杆。
2. 费力杠杆
动力臂小于阻力臂的杠杆。它虽然费力,但可以少移动距离。比如镊子、理发用的剪刀、钓鱼竿等都是费力杠杆。
3. 等臂杠杆
动力臂等于阻力臂的杠杆。它既不省力,也不省距离。例如天平的横梁、公园里的摩天轮等都是等臂杠杆,小孩子玩的跷跷板我们一般也认为是等臂杠杆。
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