杠杆机制

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什么是杠杆?

杠杆是用于缩放机制中的力量和/或行驶的机械装置.LEVERS是一种多功能机构,可用于从小到大的各种应用。例如,杠杆可用于获得机械优势,允许小的输入力施加更高的输出力。在其他情况下,杠杆可用于采取少量的运动并将其乘以进入更大的运动。杠杆最常见的使用是创造一个机械优势,以帮助用钳子,门把手,撬杆,订书机和独轮车看到的动作。

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撬棍- 1. - jpg

一阶杠杆

一阶杠杆是一种支点位于输入力和输出力之间的机构。想想跷跷板。在这种情况下,输入力和输出力离支点的距离是相等的(这意味着输出力将等于输入力,减少摩擦损失)。

由于输入力和输出力在支点的不同两侧,两个力将作用在相反的方向。撬棍和/或其他撬工具也是一级杠杆的好例子。

如果输入的力比输出的力离支点更远(就像撬棍的情况),输出的力将大于输入的力。然而,输出行程将小于输入行程。如果输入力比输出力更靠近支点,输出力会小于输入力,但输出行程会大于输入行程。另一个很好的例子是一对花园草皮(见下图):

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二阶杆

二阶杠杆是指输入力和输出力在支点同侧,且输入力离支点最远的机构。二阶杠杆的一个很好的例子是手推车。

类似于一阶杠杆,在二阶杠杆中,输出力将大于输入力。然而,输出行程将小于输入行程。在这种情况下,输入力和输出力将作用于同一个方向。在手推车中,托盘中的输出力位于把手上的输入力和轮轴上的支点之间。在一阶和二阶杠杆的情况下,最大的机械优势是通过放置输入力来实现的。

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三阶杠杆

三阶杠杆也具有在支点同一侧的输入和输出力,但在这种情况下,输出力离支点远于输入力。与二阶杠杆的情况一样,输入力和输出力将作用于相同的方向。从三阶杠杆看到的好处是输出相对于输入的旅行距离更大。但由于输出距离支点较输入距离远,输出力将小于输入力。三阶杠杆是三种杠杆中最不常见的。一个例子是厨房钳,铰链是支点,输入的力来自使用者的手,输出的力施加在钳尖。

杠杆控制方程

同样的控制方程适用于所有三个杠杆令。当将力施加在杠杆上的某处时,在支点处产生扭矩。扭矩通常以LB-FT(磅脚)或N-M(牛顿仪表)为单位给出。每个力产生的扭矩等于力量乘以该力的距离来自支点的距离。因此,扭矩可以源自以下等式:

eq2.jpg.

在哪里

τ是扭矩,
D是到支点的距离
F是力

通过看上面的方程,我们可以看到扭矩的增加可以通过增加距离或力来实现。我们还可以看到,为了获得所需的扭矩值,有无限种力和距离值的组合。很多力可以施加在离支点很近的地方,或者很小的力可以施加在离支点很远的地方。力和距离将反向改变,以保持所需的扭矩值。

如果已知输入力和距离,绕支点的转矩可由上式求得。有了这个转矩值,如果已知输出距离,可以用相同的方程来确定输出力。同样地,如果输出的力已知,输出的距离就可以求出来。

这一关系表明,较大的载荷可以很容易地被一个相对较小的输入力作用于远离支点的地方。例如,如果载荷离支点1英尺,而输入力离支点2英尺,则输入力只需相当于载荷的一半就可以移动物体。一般来说,输入的力,或移动负载所需的力,可以用下列方程表示:

eq3.jpg.

地点:

Finput是输入力,
载荷是负载力(或输出力),
载荷为载荷到支点的距离,且
DINPUT是从输入力到支点的距离。
对于三阶杠杆,Finput将比Fload更大。