С первых уроков физики мы изучаем простые механизмы. Раздел физики, который способен это объяснить, называется #классическая механика .
Один из первых простых механизмов - это рычаг. В рычаге, вроде как, всё просто и понятно. Есть палка и есть груз. Упираем палку так, чтобы получилось плечо и видим, что чем большее плечо между точкой опоры и приложением силы и чем меньшее плечо между точкой опоры и грузом, тем легче поднимать этот груз. Получаем выигрыш в силе.
Продолжаем изучать вопрос простых механизмов и встречаемся с такими механизмами, как подвижный и неподвижный блок. По сути дела - это круглая штука, через которую бросают веревку и каким-то чудом получают выигрыш в силе.
Чуть позже мы сталкиваемся уже с такими элементами механизмов, или даже правильнее, деталями, как шкивы или шестерни. У каждой шестерни есть передаточное отношение, а помимо этого она тоже способна обеспечивать выигрыш в силе.
Часто возникает вопрос, каким образом шестеренки или шкивы так преобразуют воздействие силы, что мы имеем выигрыш? Может быть дело в каком-то волшебстве? Сделали механизм такой формы и получили прирост. И если с рычагом всё вполне ясно, то с круглыми крутящимися устройствами всё немного сложнее.
Можно просто принять как должное, что такая-то передача с такими -то параметрами шестерней или шкивов способна увеличить силу и выдать в итоге нужный нам момент на оси. Но оказывается, это явление вполне можно объяснить.
Если рассмотреть как шкив, так и шестерню, мы увидим самую обычную окружность. У этой окружности есть диаметр.
Этот диаметр можно воспринимать как рычаг с точкой опоры по центру, который способен вращаться вокруг этой центральной точки. Теперь, если мы рассмотрим некоторую механическую систему, состоящую из двух шкивов или двух шестерней, мы увидим, что одна на другую может воздействовать как два рычага с разными плечами.
Получается, что взаимодействие двух таких деталей - это взаимодействие двух самых обычных рычагов, выполненных в такой форме. Это обстоятельство объясняет почему подобные передачи могут вообще давать выигрыш.
Расшифруем чертеж для пущей убедительности. На рисунке красным мы изображаем векторы сил. Пойдем слева направо. Некоторая сила воздействует на рычаг красно-синего цвета. Точка опоры у него по центру. Красное плечо давит на равное ему по длине синее плечо. Синее плечо передаёт нагружение на салатовое плечо рычага в системе розовый-зеленый рычаг. Тот рычаг, в свою очередь, тоже состоит из двух частей и имеет точку опоры в центре.
Казалось бы, выигрыша быть не должно. Ведь что в одной системе плечи равны, что в другой. Получаются классические качели. Но нет. Мы то в итоге воздействуем синим плечом на зеленое плечо. Эти плечи имеют разные длины. Вот тут и происходит преобразование!
Подобным образом можно рассмотреть практически любую деталь и увидеть, что везде мы будем приходить к работе правила рычага. Только вот вопрос расчёта тут гораздо более сложен, чем в стандартном примере с рычагом. Для правильного подсчета нужно учесть множество взаимодействий и правильно использовать логику "сила на плечо".
