Vipu ja tasapaino
Vipu ja kalteva taso
Vipu
Vipua käytetään, kun tarvitaan suurta voimaa. Vivun avulla voidaan pienellä voimalla ja suurella liikkeellä tuottaa suuri voima ja pieni liike: "mikä matkassa hävitään se voimassa voitetaan." Vipu pysyy tasapainossa, jos siihen kohdistuvien momenttien summa on nolla. Momentin suuruuteen vaikuttavat käytetyn voiman suuruus ja voiman etäisyys tukipisteestä eli voiman varsi. Momentti on näiden suureiden tulo.
Vipua käytetään, kun tarvitaan suurta voimaa. Vivun avulla voidaan pienellä voimalla ja suurella liikkeellä tuottaa suuri voima ja pieni liike: "mikä matkassa hävitään se voimassa voitetaan." Vipu pysyy tasapainossa, jos siihen kohdistuvien momenttien summa on nolla. Momentin suuruuteen vaikuttavat käytetyn voiman suuruus ja voiman etäisyys tukipisteestä eli voiman varsi. Momentti on näiden suureiden tulo.
Tasapainoehto ilmaistaan seuraavasti:
voima1 · varsi1 = voima2 · varsi2
Kun voimia merkitään kirjaimilla F ja varsien etäisyyttä tukipisteestä kirjaimilla s, kaava saa muodon
F1 · s1 = F2 · s2.
Vivut voidaan jakaa kahteen ryhmään, yksi- ja kaksivartisiin vipuihin. Vipu on yksivartinen, jos kaikki siihen vaikuttavien voimien vaikutuspisteet ovat tukipisteen samalla puolella, muussa tapauksessa kaksivartinen. Rautakangen ja kottikärryn lisäksi monissa työkaluissa ja apuvälineissä hyödynnetään vipuperiaatetta. Kaksivartisia vipuja ovat esimerkiksi sakset, pensasleikkurit ja soutuveneen airot. Yksivartisia vipuja ovat puolestaan esimerkiksi valkosipulipuristin, pullonavaaja ja muttereiden avaamiseen tarkoitettu lenkkiavain. Niiden avulla voidaan saada aikaan suuria voimia.
Kalteva taso
Kaltevan tason avulla voidaan pienentää voimaa verrattunan suoraan nostoon. Kaltevan tason avulla ei voida kuitenkaan muuttaa nostotyötä. Mikäli kappaletta nostetaan suoraan ylös, tehdään nostotyö G⋅h, missä G on kappaleen paino ja h nostokorkeus. Jos työnnämme kappaleen pienikitkaista kaltevaa tasoa pitkin, teemme työn F⋅s, missä s on matka ja F voima. Työ ei riipu reitin valinnasta, joten G⋅h=F⋅s.
Esimerkki
Vivut voidaan jakaa kahteen ryhmään, yksi- ja kaksivartisiin vipuihin. Vipu on yksivartinen, jos kaikki siihen vaikuttavien voimien vaikutuspisteet ovat tukipisteen samalla puolella, muussa tapauksessa kaksivartinen. Rautakangen ja kottikärryn lisäksi monissa työkaluissa ja apuvälineissä hyödynnetään vipuperiaatetta. Kaksivartisia vipuja ovat esimerkiksi sakset, pensasleikkurit ja soutuveneen airot. Yksivartisia vipuja ovat puolestaan esimerkiksi valkosipulipuristin, pullonavaaja ja muttereiden avaamiseen tarkoitettu lenkkiavain. Niiden avulla voidaan saada aikaan suuria voimia.
Kalteva taso
Kaltevan tason avulla voidaan pienentää voimaa verrattunan suoraan nostoon. Kaltevan tason avulla ei voida kuitenkaan muuttaa nostotyötä. Mikäli kappaletta nostetaan suoraan ylös, tehdään nostotyö G⋅h, missä G on kappaleen paino ja h nostokorkeus. Jos työnnämme kappaleen pienikitkaista kaltevaa tasoa pitkin, teemme työn F⋅s, missä s on matka ja F voima. Työ ei riipu reitin valinnasta, joten G⋅h=F⋅s.
Esimerkki
Tyttö (50 kg) on murtanut jalkansa ja joutuu käyttämään pyörätuolia. Talon ovella on porras, jonka korkeus on 20 cm.
a) Kuinka suuri voima tarvitaan pyörätuolin nostamiseen?
b) Kuinka pitkä kalteva taso pitäisi rakentaa, jotta työntämiseen riittäisi 100 N voima?
Ratkaisut:
a) Pojan massa on 50 kg, joten pojan nostamiseen tarvitaan noin 500 N voima.
b) Nostotyö on 500N⋅0,2m=100 J. Nostotyö ei riipu reitistä, joten [[$ s= \frac{100\ J}{100\ N} = 1\ m $]]