Тема. Вивчення умови рівноваги важеля.
Мета: перевірити дослідним шляхом, яким має бути співвідношення сил і їхніх плечей, щоб важіль перебував у рівновазі.
Обладнання: важіль; штатив із муфтою та лапкою; набір тягарців масою по 100 г; динамометр; лінійка.
Хід роботи
Підготовка до експерименту
1. Який механізм називають важелем і де застосовують важелі?
Важіль — це будь-яке тверде тіло, яке може обертатися навколо нерухомої осі. Його використовують переважно, щоб отримати виграш у силі. Приклади з нашого життя — це лом, лопата.
2. Що називають плечем сили?
Плече сили — це найкоротша відстань від осі обертання до лінії, вздовж якої діє ця сила.
3. Що таке момент сили?
Момент сили — це фізична величина, що показує, як сила обертає тіло. Він дорівнює добутку сили на її плече: $M = Fd$.
4. Визначення ціни поділки та ваги тягарця.
Спочатку я визначив характеристики приладів. Ціна поділки лінійки становить 1 мм, а динамометра — 0,1 Н.
Оскільки маса одного тягарця 100 г (0,1 кг), то його вага, а отже й сила, з якою він тисне на важіль, дорівнює приблизно 1 Н ($P = mg = 0.1 \text{ кг} \cdot 9.8 \dfrac{\text{Н}}{\text{кг}} \approx 1 \text{ Н}$).
Експеримент та опрацювання результатів
Усі отримані дані я заніс до таблиці.
| Номер досліду | Сила $F_1$, Н (проти ходу) | Плече $d_1$, м (проти ходу) | Момент $M_1$, Н·м (проти ходу) | Сила $F_2$, Н (за ходом) | Плече $d_2$, м (за ходом) | Момент $M_2$, Н·м (за ходом) | $\dfrac{F_1}{F_2}$ | $\dfrac{d_2}{d_1}$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0,12 | 0,12 | 2 | 0,06 | 0,12 | 0,5 | 0,5 |
| 2 | 2 | 0,09 | 0,18 | 3 | 0,06 | 0,18 | 0,67 | 0,67 |
| 3 | 1,8 | 0,20 | 0,36 | 3 | 0,12 | 0,36 | 0,6 | 0,6 |
Аналіз експерименту та його результатів
Проаналізувавши таблицю, я помітив очевидну закономірність. У кожному досліді відношення сил ($\dfrac{F_1}{F_2}$) було рівним оберненому відношенню плечей ($\dfrac{d_2}{d_1}$). Це на практиці доводить правило важеля: у скільки разів ми виграємо в силі, у стільки ж програємо у відстані.
Також, що було цілком очікувано, моменти сил, які обертають важіль у протилежних напрямках ($M_1$ і $M_2$), виявилися рівними. Саме це і є ключовою умовою для рівноваги.
Висновок
Мої досліди повністю підтвердили умову рівноваги важеля: він перебуває у спокої, коли момент сили, що обертає його проти годинникової стрілки, дорівнює моменту сили, що обертає його за годинниковою стрілкою ($M_1 = M_2$).
Звісно, на точність моїх вимірювань могли трохи вплинути: похибка самої лінійки та динамометра, неточність у визначенні плеча сили, а також тертя в осі обертання важеля.