З давніх-давен людина використовує для виконання механічної роботи різні пристрої. Кожному відомо, що важкий предмет (камінь, колоду), який не можна перемістити безпосередньо руками, легше зсунути з місця за допомогою довгої й міцної жердини — важеля.

За допомогою важелів три тисячі років тому під час спорудження пірамід у Стародавньому Єгипті пересували й піднімали на велику висоту важкі кам’яні брили.

У багатьох випадках замість того, щоб піднімати важкий вантаж на деяку висоту, його вкочують або пересувають на ту саму висоту по похилій площині, чи піднімають за допомогою блоків.

Якщо взаємодія між тілами відбувається через проміжні пристрої (важелі, блоки, похилі площини тощо), то можлива зміна сили взаємодії між ними. Сила може змінювати як напрям, так і значення.

Пристрої, призначені для перетворення сили, називають механізмами.

Плече сили (d1 та d2 на мал.) — найкоротша відстань від осі обертання (точки опори О) до лінії дії сили. Щоб визначити плече сили, необхідно з точки опори провести перпендикуляр до лінії дії сили.

Вісь обертання важеля може проходити через один з його кінців, або всередині важеля — між точками прикладання сил.

Хлопчик має подолати силу тяжіння вантажу F1 — силу, напрямлену вертикально вниз. Він повертає для цього важіль навколо осі, що проходить через єдину нерухому точку — точку його опори О. У першому випадку вісь обертання О (точка опори) розміщена між точками прикладання сил. Обидві сили, які діють на важіль, напрямлені в один бік. У другому випадку обидві сили лежать по один бік від точки опори й напрямленні в різні сторони. Але в обох випадках сила F2, з якою хлопчик діє на важіль, менша за силу F1, тобто хлопчик дістає виграш у силі. 

При дії кількох сил на важіль він може обертатись або бути нерухомим. Величину, яка характеризує обертальну дію сили, називають моментом сили.

Момент сили — це фізична величина, яка характеризує обертальну дію сили відносно нерухомої точки О і визначається добутком сили на плече.

Момент сили позначають великою літерою М.

Одиниця моменту сили — ньютонметр (1 Н • м).

Момент сили називають також обертальним моментом і розраховують за формулою:

M = Fd, де F — прикладена сила, d — плече сили.

Правило рівноваги важеля встановив Архімед. Із цього правила видно, що меншою силою можна зрівноважити за допомогою важеля більшу силу. Але при цьому слід збільшити довжину плеча важеля.

Таким чином, момент сили характеризує дію сили — показує, що вона залежить і від модуля сили, і від її плеча. Справді, всім відомо, що двері тим легше відкрити, чим далі від осі обертання прикласти силу; гайку легше викрутити довгим гайковим ключем, ніж коротким; відро тим легше витягти з колодязя, чим довша ручка коловорота, і т. д. 

Важелі застосовують cкрізь: на дитячих майданчиках (а), у лабораторіях (б), центрах керування технологічними процесами (в), на будмайданчиках (г) тощо 

Важелі застосовують як для виграшу в силі, так і для виграшу у відстані.

Окрім важеля та блока людина з античних часів використовує ще один простий механізм — похилу площину. За допомогою похилої площини можна піднімати важкі предмети, прикладаючи до них відносно невелику силу. 

Для втягування тіла вгору похилою площиною потрібна значно менша сила, ніж для підняття цього самого тіла вертикально.

Похила площина є незамінною, коли треба підняти вантаж. Чим пологіший ухил площини, тим легше виконати цю роботу.

Одним із різновидів похилої площини є клин. Так, щоб полегшити рубання дров, у тріщину колоди вставляють клин і б’ють по ньому обухом сокири. Під час удару на клин діють три тіла: зверху — обух сокири, з боків — дві частини колоди. 

Різновидом похилої площини також є гвинт. Візьмемо трикутник, вирізаний із тонкого картону, та розташуємо його біля циліндра. Похилою площиною слугуватиме ребро картону. Обгорнувши картонний трикутник навколо циліндра, одержимо гвинтову похилу площину. Власне, нарізка гвинта — це похила площина, яку багато разів обернуто навколо циліндра. Подібно до клина гвинт може змінювати напрямок і значення прикладеної сили. 

Дайте відповідь на запитання

1. Що таке прості механізми?

2. Що називають моментом сили? Що називають плечем сили?

3. Що таке важіль? У чому полягає правило рівноваги важеля?

4. Що таке блок? Поясніть, чому блоки відносять до різновиду важеля.

Поясніть

1. Чому дверні ручки ніхто не кріпить посередині дверей або біля їх петель?

2. Чому довгий стержень легше утримувати в горизонтальному положенні за середину, ніж за край?

3. Чому зігнутою в лікті рукою можна підняти більший вантаж, ніж витягнутою?

4. Проведіть простий дослід: спробуйте кілька разів розламати сірник на рівні частини. Чому маленькі шматочки важче розламувати, ніж цілий сірник?

Задачі

1. До короткого плеча важеля підвішено вантаж вагою 4 Н. Плечі важеля відповідно становлять 20 см і 60 см. Обчисліть силу, яку необхідно прикласти до довгого плеча, щоб важіль перебував у рівновазі..

2. До кінців урівноваженого важеля довжиною 1 м прикладені сили 2 і 18 Н. Визначте плечі важеля.

3. До кінців стержня масою 10 кг і завдовжки 40 см підвішені вантажі 400 Н і 100 Н. Де треба підперти стержень, щоб він перебував у рівновазі?

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; учнівська лінійка.