IV.3. Pârghia – un mecanism simplu

Omul folosește foarte multe unelte în viața de zi cu zi pentru a-și ușura munca.

De ce este mai ușor să tai o sârmă cu un clește decât cu mâna? De ce este mai ușor să mături cu o mătură cu coadă lungă?

Răspunsul îl vei afla în această lecție cu pârghii, întrucât multe ustensile folosite de om sunt niște pârghii.

👀 Experiment: Ce este o pârghie și legea pârghiei

Materiale necesare:
Ață cu cârlig, disc cu perforații, suport, cârlig cu mase marcate, trepied, tijă lungă și scurtă, clemă, bară rigidă cu orificii, dinamometru.

Descrierea experimentului:

• Montează bara cu orificii astfel încât punctul de sprijin al barei poziționate orizontal să se afle între punctele de aplicație ale celor două forțe care acționează asupra barei.
• Agață de bară, cu ajutorul unui cârlig, mase marcate și apoi trage în jos de bară cu ajutorul dinamometrului până când bara se va afla în poziție orizontală, în echilibru de rotație.
• Notează greutatea corpului agățat (R = G = m • g), ce reprezintă forța de rezistență ce acționează asupra barei, și forța indicată de dinamometru (F), ce reprezintă forța activă de acțiune asupra barei, astfel încât aceasta să se afle în echilibru.
• Măsoară brațele celor două forțe față de punctul de sprijin al barei.
• Calculează momentele celor două forțe în raport cu punctul de sprijin al barei și formulează o concluzie.

  Bara este în echilibru de rotație atunci când modulul momentului forței active este egal cu modulul momentului forței rezistente: | M_F | = | M_R |.
  F • b_F = R • b_R.

Pârghia este o bară rigidă ce se poate roti în jurul unui punct de sprijin (O) și asupra căreia acționează două forțe:

• forța activă (F), forța cu care omul acționează asupra pârghiei
• forța rezistentă (R), forța ce trebuie învinsă cu ajutorul pârghiei.

Legea pârghiei:

“Raportul celor două forțe ce acționează asupra unei pârghii este egal cu raportul invers al brațelor celor două forțe.“

În funcție de poziția punctului de sprijin și a punctelor de aplicație ale celor două forțe, activă și rezistentă, se definesc trei tipuri de pârghii:

• Pârghia de ordinul I are punctul de sprijin (O) între punctul de aplicație al forței active (A) și punctul de aplicație al forței rezistente (B), iar la fiecare capăt al ei acționează forța activă (F), respectiv forța rezistentă (R), având același sens. În aplicațiile practice, modulul forței active este mai mic (sau egal) cu modulul forței rezistente: F ≤ R, deoarece brațul forței active este mai mare sau egal cu brațul forței rezistente, b_F ≥ b_R.

Exemple: foarfecele, patentul, cleștele de cuie, cazmaua, ranga (levierul), balanța, balansoarul etc.

• Pârghia de ordinul II are punctul de sprijin la un capăt, iar la celălalt capăt este punctul de aplicație al forței active. Forța activă acționează la un capăt, iar forța rezistentă in interiorul pârghiei, având sensuri opuse.

Exemple: Roaba, pedala de frână de picior de la mașină, desfăcător de bere, cleștele de spart nuci, cleștele de pisat usturoi, perforatorul etc.

• Pârghia de ordinul III are punctul de sprijin la un capăt, iar la celălalt capăt este punctul de aplicație al forței rezistente. Forța rezistentă acționează la un capăt, iar forța activă in interiorul pârghiei, având sensuri opuse.

Exemple: penseta, capsatorul, dispozitivul pentru scos sâmburi de cireșe/vișine, lopata, mătura cu coadă.

👀 Experiment: Ce este o pârghie de ordinul I ?

Materiale necesare:
Ață cu cârlig, disc cu perforații, suport, cârlig cu mase marcate, trepied, tijă lungă și scurtă, clemă, bară rigidă cu orificii, dinamometru.

Descrierea experimentului:

• Montează bara cu orificii astfel încât punctul de sprijin al barei poziționate orizontal să se afle între punctele de aplicație ale celor două forțe care acționează asupra barei.
• Agață de bară, cu ajutorul unui cârlig, mase marcate la un capăt al barei.
• Trage în jos de bară cu ajutorul dinamometrului, agățat la celălalt capăt al barei, până când bara se va afla în poziție orizontală, în echilibru de rotație.
• Observă unde acționează cele două forțe și ce sens au.

  Pârghia de ordinul I are punctul de sprijin (O) între punctul de aplicație al forței active (A) și punctul de aplicație al forței rezistente (B), iar la fiecare capăt al ei acționează forța activă (F), respectiv forț a rezistentă (R), având același sens.

🔦 Cum se desenează o pârghie de Ordinul I?

• La cele formate dintr-o bară, desenăm o linie orizontală care reprezintă pârghia. La cele din două bare, desenăm două linii care se unesc în punctul lor de sprijin.

• Se pune punctul de sprijin al pârghiei respective, notat cu O.

• Se reprezintă forța activă, perpendiculară pe bară.

• Se reprezintă forța rezistentă, perpendiculară pe bară, având același sens cu F.

Exemple de pârghii de ordinul I:

👀 Experiment: Ce este o pârghie de ordinul II ?

Materiale necesare:
Ață cu cârlig, disc cu perforații, suport, cârlig cu mase marcate, trepied, tijă lungă și scurtă, clemă, bară rigidă cu orificii, dinamometru.

Descrierea experimentului:

• Montează bara cu orificii astfel încât punctul de sprijin (O) al barei poziționate orizontal să se afle la un capăt.
• Agață de bară, cu ajutorul unui cârlig, mase marcate undeva în interiorul barei.
• Trage în sus de bară cu ajutorul dinamometrului, agățat la capătul opus față de O, până când bara se va afla în poziție orizontală, în echilibru de rotație.
• Observă unde acționează cele două forțe și ce sens au.

  Pârghia de ordinul II are punctul de sprijin la un capăt, iar la celălalt capăt este punctul de aplicație al forței active. Forța activă acționează la un capăt, iar forța rezistentă in interiorul pârghiei, având sensuri opuse.

🔦 Cum se desenează o pârghie de Ordinul II?

• La cele formate dintr-o bară, desenăm o linie orizontală care reprezintă pârghia. La cele din două bare, desenăm două linii care se unesc în punctul lor de sprijin.

• Se pune punctul de sprijin al pârghiei respective, notat cu O.

• Se reprezintă forța activă, perpendiculară pe bară.

• Se reprezintă forța rezistentă, perpendiculară pe bară, având sens opus cu F.

Exemple de pârghii de ordinul II:

👀 Experiment: Ce este o pârghie de ordinul III ?

Materiale necesare:
Ață cu cârlig, disc cu perforații, suport, cârlig cu mase marcate, trepied, tijă lungă și scurtă, clemă, bară rigidă cu orificii, dinamometru.

Descrierea experimentului:

• Montează bara cu orificii astfel încât punctul de sprijin (O) al barei poziționate orizontal să se afle la un capăt.
• Agață de bară, cu ajutorul unui cârlig, mase marcate la celălalt capăt al barei.
• Trage în sus de bară cu ajutorul dinamometrului, agățat in interiorul barei, până când bara se va afla în poziție orizontală, în echilibru de rotație.
• Observă unde acționează cele două forțe și ce sens au.

  Pârghia de ordinul III are punctul de sprijin la un capăt, iar la celălalt capăt este punctul de aplicație al forței rezistente. Forța rezistentă acționează la un capăt, iar forța activă in interiorul pârghiei, având sensuri opuse.

🔦 Cum se desenează o pârghie de Ordinul III?

• La cele formate dintr-o bară, desenăm o linie orizontală care reprezintă pârghia. La cele din două bare, desenăm două linii care se unesc în punctul lor de sprijin.

• Se pune punctul de sprijin al pârghiei respective, notat cu O.

• Se reprezintă forța activă, perpendiculară pe bară.

• Se reprezintă forța rezistentă, perpendiculară pe bară, având sens opus cu F.

Exemple de pârghii de ordinul III:

🔦 Observație

Când corpul omenesc execută diferite mișcări, se formează pârghii.

Clasificarea pârghiilor din organismul uman după ordinul lor :

1. Pârghii de ordinul I:

• Capul în echilibru pe coloana vertebrală. Punctul de sprijin (O) este vertebra atlas (prima vertebră cervicală), greutatea capului este forța rezistentă (R), iar forța activă (F) este dezvoltată de mușchii cefei.

• Trunchiul când se află în echilibru pe picioare.

• Antebrațul în extensie.

• Piciorul când este fixat pe sol (la mers, alergare, în cădere).

2. Pârghii de ordinul II :

• Piciorul sprijinit pe degete (când stăm pe vârfuri), ca balerinele. Forța rezistentă este greutatea corpului transmisă prin tibie. Forța activă este cea a mușchilor inserați prin tendonul lui Ahile pe calcaneu.

• Segmentul membrului superior în timpul executării flotărilor.

• Incisivii și caninii.

3. Pârghii de ordinul III :

• Ridicarea antebrațului în flexiune. Bicepsul se contractă și produce o forță activă pe antebraț. Forța rezistentă este greutatea mâinii ridicate.

• Coastele, în timpul respirației (inspirație și expirație).

• Gamba la fotbal în timpul unui voleu.

• Mâna când prinde un corp ca o pensetă.

🔓 Problemă rezolvată

1. Tăiem un cui cu ajutorul unui clește. Distanța de la nit (articulația cleștelui) la cui este de 3 cm și de la nit la mâner este 5 dm. Mâna strânge cleștele cu 600 N. Cât este forța rezistentă din partea cuiului ?

Rezolvare:

Desenăm forțele ce apar la tăierea cu cleștele:

Scriem datele problemei și transformăm în SI:
OB = b_R = 3 cm = 0,03 m
OA = b_F = 5 dm = 0,5 m
F = 600 N
R = ?

Scriem legea pârghiei și scoatem necunoscuta: