槓桿
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槓桿 | |
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![]() 遵守槓桿原理,置放在槓桿上的兩個重物呈靜力平衡狀態。 | |
分類 | 簡單機械 |
在力學裡,典型的槓桿是置放連結在一個支撐點上的硬棒,這硬棒可以繞著支撐點旋轉。當槓桿靜力平衡時,其施力乘以施力臂等於抗力乘以抗力臂,可以透過改變施力臂或抗力臂長度,使輸入力放大或縮小,有著相當實用的功能,古希臘人將槓桿歸類為簡單機械。[1]
歷史
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/51/Archimedes_lever_%28Small%29.jpg/220px-Archimedes_lever_%28Small%29.jpg)
早在舊石器時代晚期,古人就知道使用槓桿的原理來製作投槍器。 [2] 考古學者認為,在古埃及4500多年前的金字塔時期,工人使用槓桿來移動、抬舉重量超過100英噸的方尖碑。[3] 中國戰國時期,墨子在所著作的《墨子》一書中,提到應用槓桿的概念。[註 1][4][5]
大約在西元前330年,亞里斯多德在著作《機械問題》(《Mechanical Problems》)裏,對於槓桿有詳細的論述,並且基本而言使用虛功的現代概念推導出槓桿原理。[6]西元前3世紀,古希臘科學家阿基米德在著作《論平面圖形的平衡》裏用幾何方法推導出槓桿原理,[7]並且宣稱:「給我一個支點,我就可以撬動整個地球。」[註 2][8]
概述
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/83/LeverPrincleple.svg/250px-LeverPrincleple.svg.png)
由於槓桿內部有一點為固定點,槓桿只能繞著這固定點做旋轉運動。相對於這一點,槓桿不能做平移運動。
- 槓桿內部的固定點稱為「支點」。
- 使槓桿旋轉的力 叫做「施力」,是輸入力。
- 施力作用於槓桿的位置叫做「施力點」。
- 阻礙槓桿旋轉的力 叫做「抗力」,是輸出力。
- 抗力作用於槓桿的位置叫做「抗力點」。
- 從支點到施力作用線的垂直距離 叫做「施力臂」。
- 從支點到抗力作用線的垂直距離 叫做「抗力臂」。
理想槓桿不會耗散或儲存能量,也就是說,支點與硬棒之間不會出現任何摩擦損耗,硬棒是一種剛體,不會被彎曲,發生形變。注意到硬棒不一定是直棒。彎曲的硬棒形成的槓桿稱為「曲槓桿」。對於理想槓桿案例,輸入槓桿的功率等於槓桿輸出的功率。輸出力與輸入力之間的比率,等於這兩個作用力分別與支點之間垂直距離的反比率,稱這相等式為「槓桿原理」,以方程式表達:
- ,
或者,
- 。
定義力矩 為
- ;
其中, 是作用力, 是作用力與支點之間的垂直距離。
- 。
槓桿原理表明,當靜力平衡時,施力乘以施力臂等於抗力乘以抗力臂:
- 。
槓桿的分類
靠著比較施力臂、抗力臂的長度,可以將槓桿分為三類:
- 施力臂長於抗力臂的槓桿是「省力槓桿」,這可以省力。開瓶器、撬棍等均為省力槓桿。
- 抗力臂長於施力臂的是「費力槓桿」,這可以省時。大部分剪刀、鑷子、筷子、釣魚竿、火鉗、筆等均為費力槓桿。
- 施力臂和抗力臂長度相等的槓桿是「等臂槓桿」,蹺蹺板、天秤等均為等臂槓桿。
另外一種分類法式依照施力點、抗力點、支點在槓桿的相對位置來分類。[9]
第一類槓桿
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e6/Type_1_lever_Chinese.jpg/250px-Type_1_lever_Chinese.jpg)
第一類槓桿的施力點、抗力點分別在支點的兩邊。例如,鐵撬、蹺蹺板、天平、尖嘴鉗。
第二類槓桿
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b4/Type_2_lever_Chinese.jpg/250px-Type_2_lever_Chinese.jpg)
第二類槓桿的施力點、支點分別在抗力點的兩邊。例如,獨輪車、胡桃鉗、開瓶器。這是一種省力槓桿,可以施加較小的力量來移動較重的物體,但是施力的位移較長.
第三類槓桿
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/56/Type_3_lever_Chinese.jpg/250px-Type_3_lever_Chinese.jpg)
第三類槓桿的抗力點、支點分別在施力點的兩邊。例如,鑷子、釘書機、掃把。這是一種費力槓桿,可以節省施力的位移。
槓桿原理
槓桿是可以繞著支點旋轉的硬棒。當外力作用於槓桿內部任意位置時,槓桿的響應是其操作機制;假若外力的作用點是支點,則槓桿不會出現任何響應。
假設槓桿不會耗散或儲存能量,則槓桿的輸入功率必等於輸出功率。當槓桿繞著支點呈勻角速度旋轉運動時,離支點越遠,則移動速度越快,離支點越近,則移動速度越慢,由於功率等於作用力乘以速度,離支點越遠,則作用力越小,離支點越近,則作用力越大。
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/83/LeverPrincleple.svg/250px-LeverPrincleple.svg.png)
機械利益是抗力與施力之間的比率,或輸出力與輸入力之間的比率。假設施力臂 、抗力臂 分別為施力點、抗力點與支點之間的距離,施力 、抗力 分別作用於施力點、抗力點。則機械利益 為
- 。
通常在學習槓桿的初級理論時,會聚焦於輸入力和輸出力由於虛位移而做的虛功。虛位移可以定義為物體的移動速度乘以虛時間。這樣定義導致計算的物理量是功率,而不是功。這種方法有一個實在優點:在研究機械工程學或機構學時,功率是主要計算的物理量。使用這種方法來對槓桿做靜力分析,就如同對於車子的傳動系統,或機械手臂做靜力分析,它們的機械利益的計算方式完全一樣。
複式槓桿
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a4/Fingernail_Clippers.jpg/200px-Fingernail_Clippers.jpg)
複式槓桿是一組耦合在一起的槓桿,前一個槓桿的抗力會緊接地成為後一個槓桿的施力。幾乎所有的磅秤都會應用到某種複式槓桿機制。其它常見例子包括指甲剪、鋼琴鍵盤。1743年,英國伯明罕發明家約翰·外艾特在設計計重秤時,貢獻出複式槓桿的點子。他設計的計重秤一共使用了四個槓桿來傳輸負載。[10]
參閱
注釋
參考文獻
- ^ Moon, Francis; Moon, F. C., The machines of Leonardo da Vinci and Franz Reuleaux:kinematics of machines from the Renaissance to the 20th century illustrated, annotated, Springer: pp. 28, 2007, ISBN 9781402055980
- ^ Humphrey, John. Ancient technology illustrated. Greenwood Publishing Group. 2006: 17-18. ISBN 9780313327636.
- ^ Budge, E.A. Wallis. Cleopatra's Needles and Other Egyptian Obelisks. Kessinger Publishing. 2003: pp. 28. ISBN 9780766135246.
- ^ 吳毓江,墨子校注,北京:中華書局,1993年,第533頁
- ^ 墨子. 《經說下》. 中國哲學書電子化計劃. (原始內容存檔於2021-03-07).
- ^ Cotterell, Brian; Kamminga, John, Mechanics of pre-industrial technology: an introduction to the mechanics of ancient and traditional material culture illustrated, reprint, Cambridge University Press: pp. 75–76, 1992, ISBN 9780521428712
- ^ Usher, Abbott. A history of mechanical inventions revised, illustrated. Courier Dover Publications. 1988: pp. 94. ISBN 9780486255934.
- ^ Mackay, Alan Lindsay. Archimedes ca 287–212 BC. A Dictionary of scientific quotations. London: Taylor and Francis. 1991: pp. 11. ISBN 9780750301060.
- ^ Davidovits, Paul, Physics in Biology and Medicine, Third edition, Academic Press: pp. 10, 2008, ISBN 978-0-12-369411-9
- ^ Ceccarelli, Marco. Distinguished Figures in Mechanism and Machine Science: Their Contributions and Legacies. Dordrecht: Springer. 2007: 16 [2010-01-17]. ISBN 1402063652.
Then in 1743 John Wyatt (1700–1766) introduced the idea of the compound lever, in which two or more levers work together to further reduce effort.
外部連結
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