Составной рычаг — это простая машина, работающая на основе того, что сопротивление одного рычага в системе рычагов действует как усилие для следующего, и таким образом приложенная сила передается от одного рычага к другому. Почти все весы используют какой-либо составной рычаг для работы. Другие примеры включают щипчики для ногтей и клавиши пианино .
Рычаг использует точку опоры для подъема груза, используя и усиливая приложенную силу . На практике условия могут помешать использованию одного рычага для достижения желаемого результата, [1] например, ограниченное пространство, неудобное расположение точки доставки результирующей силы или запретительная длина необходимого плеча рычага. В этих условиях используются комбинации простых рычагов, называемые составными рычагами. Составные рычаги могут быть построены из рычагов первого, второго и/или третьего порядка. Во всех типах составных рычагов правило заключается в том, что сила, умноженная на плечо силы, равна весу, умноженному на плечо веса. Выход одного рычага становится входом для следующего рычага в системе, и поэтому преимущество увеличивается.
Рисунок слева иллюстрирует составной рычаг, образованный из двух рычагов первого класса, вместе с кратким выводом того, как вычислить механическое преимущество. С показанными размерами механическое преимущество, W/F, может быть рассчитано как 10/3 × 9/4 = 7,5, что означает, что приложенная сила в 1 фунт (или 1 кг) может поднять вес в 7,5 фунтов (или 7,5 кг).
В качестве альтернативы, если положение точки опоры на рычаге AA' было перемещено так, что A1 = 4 единицы и A2 = 9 единиц, то механическое преимущество W/F рассчитывается как 4/9 × 9/4 = 1, что означает, что приложенная сила поднимет эквивалентный вес, и нет никакого механического преимущества. Обычно это не является целью системы составного рычага, хотя в редких случаях геометрия может соответствовать определенной цели.
Расстояния, используемые при расчете механического преимущества, измеряются перпендикулярно силе. В примере с кусачками для ногтей справа (составной рычаг, состоящий из рычага класса 2 и класса 3), поскольку усилие прикладывается вертикально (то есть не перпендикулярно рычагу), расстояния до соответствующих точек опоры измеряются горизонтально, а не вдоль рычага. В этом примере W/F равно 7 + 1/1 × 6/6 + 2 = 6. Обратите внимание, что (7 + 1) см = 8 см — это расстояние от точки приложения усилия до точки опоры первого рычага, перпендикулярное приложенному усилию.
Несколько примеров составного рычага — весы, железнодорожные тормоза и распространенный тип кусачек для ногтей . Другой пример — локтевой пресс, который используется при печати, формовке или ручной загрузке пуль, чеканке монет и медалей, а также при пробивке отверстий. Составные весы используются для взвешивания тяжелых предметов. Все они используют несколько рычагов для увеличения силы для достижения определенной цели. Поездной тормоз передает силу отталкивания палки назад рычагам, и они трутся о колеса, используя трение для замедления и в конечном итоге остановки поезда. Это повседневные применения этого механизма.
Фортепианная клавиша — это составной рычаг первого класса, поскольку точка опоры находится между перемещаемым грузом и силой. Цель этого рычага — перевести небольшое движение (нажатие клавиши) в большее и быстрое движение молоточка по струнам. Качество получаемого тона зависит от того, достигается ли конечная скорость постепенным или внезапным движением клавиши. [2]
Молоточек , наковальня и стремечко — это небольшие кости ( косточки) в среднем ухе , соединенные как сложные рычаги, которые передают звуковые волны от барабанной перепонки к овальному окну улитки .
Самые ранние сохранившиеся сочинения о рычагах датируются III в. до н. э. и были предоставлены Архимедом . « Дайте мне точку опоры, и я переверну землю рычагом » — это высказывание, приписываемое Архимеду, который формально сформулировал правильный математический принцип рычагов (цитируется Паппом Александрийским). [3]
Один из самых ранних примеров составного рычага относится к спусковым механизмам арбалета династии Хань (202 г. до н. э. - 220 г. н. э.), которые представляли собой тройной составной рычаг. Такой механизм размещался внутри самого ложа арбалета. [4] Идея составного рычага приписывается изобретателю из Бирмингема Джону Уайетту в 1743 году, [5] когда он спроектировал весовую машину , которая использовала четыре составных рычага для передачи груза с весовой платформы на центральный рычаг, с помощью которого можно было измерить вес. [6]
Затем в 1743 году Джон Уайетт (1700–1766) представил идею составного рычага, в котором два или более рычага работают вместе, чтобы еще больше уменьшить усилие.