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杠杆计算器
阿基米德说过:"给我一个足够长的杠杆"——使用我们的杠杆计算器来找出这个杠杆应该有多长!
在这里您将学到:杠杆背后的物理学和杠杆方程;阿基米德的杠杆定律;杠杆的机械优势是什么;以及一些杠杆实际应用的例子,包括实用的和不实用的!
杠杆可能是人类设计的最直接的机械装置。拿一块木板(或任何刚性材料),找一个放置的地方,你就准备好了。尽管缺乏复杂性,杠杆在我们日常生活中无处不在,是奇妙的机器。看看你周围:剪刀、指甲钳、开瓶器等等,都是杠杆。
杠杆的组成要素
我们可以用相对较少的要素来描述杠杆:
- 支点(Fulcrum):杠杆的枢轴点。支点不需要在杠杆的中间——实际上,它的位置决定了这个简单机械的完全不同的用途。
- 阻力(Resistance):由你想要移动、切割或杠杆执行的任何其他操作的物体施加的力。我们用符号 Fb 表示阻力。从支点到阻力作用点的距离用 b 表示。
- 努力力(Effort):你在操作杠杆时施加的力。从作用点到支点的距离是 a,其值是 Fa。
杠杆允许你以特定的优势移动物体——也就是说,你能够以减少的努力或增加的速度或位移来移动它。杠杆通过力的应用和由此产生的力矩的利用来工作。这改变了平衡,使我们能够用很少的努力举起重物。
杠杆方程
杠杆的操作原理很简单。我们可以确定杠杆静止的平衡状态。在这种情况下,两个力对杠杆施加的力矩相等。
其中:
- Fa 是努力力(你施加的力)
- a 是努力力臂(从支点到努力力作用点的距离)
- Fb 是阻力(需要克服的力)
- b 是阻力臂(从支点到阻力作用点的距离)
这个方程允许我们找出涉及杠杆问题中需要的每个量。例如,如果力臂的长度已知,就可以计算达到平衡所需的力来对抗特定的阻力。
计算撬动地球的杠杆臂
我们可以使用杠杆方程计算能够撬动地球的杠杆特性。只有一个条件:你是做举起工作的人!
假设条件:
• 你的体重:70 kg,努力力 Fa = 70 × 9.81 = 686.7 N
• 地球质量:ME = 5.9722×10²⁴ kg
• 地球重量:Fb = 5.9722×10²⁴ × 9.81 N
• 杠杆长度:地球到太阳的距离 = 148.81×10⁹ m
计算结果:
地球一侧的杠杆臂长度比氢原子还要小!这就是一个超长杠杆:地球所在的力臂比氢原子还小!
回到一些更实际的例子。假设你在游乐场玩跷跷板。你知道跷跷板是一类杠杆。假设你的体重是75公斤,你的朋友比较瘦,只有60公斤。跷跷板长4米。你必须坐在哪里才能平衡你的朋友?你创造的杠杆的机械优势是什么?
三种类型的杠杆
杠杆的各种要素如何相互关联,使我们能够定义三种不同类型的杠杆:
第一类杠杆:当有人要求我们想象杠杆时,我们脑海中浮现的杠杆。支点在阻力和努力力之间。例如:跷跷板、撬棍、剪刀。
第二类杠杆:阻力和努力力放置在支点的同一侧,且 a > b。这种杠杆总是作为力的倍增器。例如:独轮车、开瓶器、胡桃夹。
第三类杠杆:阻力和努力力放置在支点的同一侧,但这次 a < b。这种杠杆总是作为速度倍增器。例如:镊子、钓鱼竿、扫帚。
机械优势特性:
• MA > 1:力的倍增器(省力杠杆)- 用较小的力移动较大的阻力
• MA = 1:平衡杠杆 - 不省力也不费力
• MA < 1:速度倍增器(费力杠杆)- 获得更快的速度或更大的移动范围
杠杆的机械优势和杠杆定律
衡量杠杆"性能"的量称为机械优势。它来源于分析两个力对杠杆施加的力矩。著名的杠杆定律说,杠杆中力的倍增由以下公式给出:
看看公式并记住,a 对应于你施加努力力的一侧,b 与阻力相关。首先:用力臂而不是力来思考更容易:很明显,你施加的力越大,机械优势就越高。
但现在想象有一个真正"不平衡"的杠杆,努力力施加的距离远大于阻力的距离:a ≫ b。这样的杠杆的机械优势将极高,反映在需要在杠杆的一端施加非常高的努力力。
阿基米德说:"给我一个足够长的杠杆和一个放置它的支点,我将移动世界"。他心中想的是一个具有特别好的机械优势的杠杆!
常见问题
什么是杠杆方程?
杠杆方程定义了杠杆在平衡状态下的力和物理特征。它来源于作用在杠杆上的力矩的比较:Fa × a = Fb × b。操作这个简单的方程来分离所需的量。其中 Fi 是力,要么是努力力要么是阻力;li 是杠杆的力臂(a 和 b)。
如何计算杠杆的机械优势?
你可以通过计算作用在杠杆上的力的比值,或者可互换地计算杠杆力臂的比值来计算杠杆的机械优势:MA = Fa/Fb = a/b。机械优势可以小于、大于或等于1。
杠杆臂应该多长才能用我的体重平衡一辆1500公斤的汽车?
假设你重70公斤。要平衡质量为1500公斤的汽车,你可以使用由机械优势定义的杠杆:MA = (1500 × g)/(70 × g) = 21.43,其中g是标准重力参数,等于9.81 m/s²。你这一侧的杠杆臂应该比汽车一侧的力臂长21.43倍。
杠杆的机械优势是什么?
杠杆的机械优势告诉你在做一些机械工作时,你使用的杠杆是否会给你优势。机械优势大于1定义了帮助你举起重物的杠杆。相反,机械优势小于1定义了减少你施加的力,但返回增加速度的杠杆。
| 参数名 | 参数类型 | 默认值 | 是否必传 | 描述 |
|---|---|---|---|---|
| resistanceArm | number | 1.0 | 否 | 从支点到阻力作用点的距离 |
| effortArm | number | 2.0 | 否 | 从支点到施力作用点的距离 |
| resistanceArmUnit | string | m | 否 | 阻力臂长度的单位 |
| effort | number | 100 | 否 | 作用在杠杆上的施力大小 |
| resistanceUnit | string | N | 否 | 阻力的单位 |
| effortUnit | string | N | 否 | 施力的单位 |
| effortArmUnit | string | m | 否 | 施力臂长度的单位 |
| resistance | number | 200 | 否 | 需要克服的阻力大小 |
| 参数名 | 参数类型 | 默认值 | 描述 |
|---|---|---|---|
| torqueUnit | string | N·m | 力矩的单位 |
| leverType | string | 根据机械优势判断的杠杆类型:力的放大器、速度放大器或平衡杠杆 | |
| torqueEffort | number | 施力产生的力矩大小 | |
| torqueResistance | number | 阻力产生的力矩大小 | |
| mechanicalAdvantage | number | 杠杆的机械优势,等于施力臂与阻力臂的比值 | |
| isBalanced | boolean | 根据杠杆平衡方程判断当前杠杆是否处于平衡状态 |
| 错误码 | 错误信息 | 描述 |
|---|---|---|
| FP00000 | 成功 | |
| FP03333 | 失败 |
参考上方对接示例
