Princip páky je jedním z nejpraktičtějších využití momentu síly. Páka nám usnadňuje některé věci, na které bychom normálně neměli dostatečnou sílu, například rozlousknout ořech.
Páka a síly
Mějme těleso, které se může otáčet kolem nějaké osy nebo opěrného bodu (kleště, houpačka, zahradní kolečka). Sílu působící na jednom místě F_1 (např. tíhu nákladu) můžeme vyrovnávat druhou silou F_2 a držet páku v rovnováze. Síly působí ve vzdálenostech od osy r_1 a r_2 a nemusí být stejně velké.
V rovnováze je poměr velikostí sil opačný než poměr jejich ramen. Zde procvičíme jednodušší případ, kdy jsou síly kolmé na úsečky r_1 a r_2. Pak je ramenem síly přímo vzdálenost od osy. Pak platí, že v rovnováze je poměr velikostí sil opačný než poměr jejich vzdáleností od osy.
F_1:F_2=r_2:r_1
Pozn.: Ve cvičeních je grafika sil pouze ilustrační – délka šipek neodpovídá velikosti sil.
Příklad: Kdy budou síly v rovnováze stejně velké?
Síly v rovnováze nemusí být stejně velké. Ale kdy stejně velké budou?
- Platí F_1:F_2=r_2:r_1.
- Pokud jsou obě síly stejně velké, je F_1:F_2 rovno jedné.
- Jednička tedy musí být i poměr r_2:r_1.
- To znamená, že obě vzdálenosti musí být stejné.
Páka a hmotnosti
Když nepočítáme se silami, ale s hmotnostmi, platí pro rovnováhu obdobný vztah.
m_1:m_2=r_2:r_1
Příklad: Na houpačce
Kdo musí na houpačce sedět víc u středu, aby se mohli pohodlně houpat? Maminka nebo holčička?
- Rovnováha (a snadné houpání) nastane, když jsou vzdálenosti v opačném poměru než hmotnosti (m_1:m_2=r_2:r_1).
- Holčička má menší hmotnost.
- Holčička tedy musí mít větší vzdálenost od středu.
- Blíže ke středu si tedy bude muset sednou maminka.
Síly a hmotnosti dohromady
Pokud kombinujeme hmotnost a síly, musíme hmotnosti převést na tíhové síly. Každý kg odpovídá síle asi 10 N. Bedna o 3 kg, tedy bude působit silou 30 N. Člověk s 85 kg pak silou 850 N.
Příklad: Naložený trakař
Jakou silou musíme zvedat řídítka trakaře?
- Kombinujeme sílu a hmotnost. Musíme tedy nejprve převést hmotnost trakaře na tíhovou sílu.
- 30 kg znamená tíhovou sílu 300 N.
- Platí F_1:F_2=r_2:r_1 – síly musí mít opačný poměr než vzdálenosti do osy.
- Poměr vzdáleností r_2:r_1 je 3 ku 1. Tedy zvedáme trakař v trojnásobné vzdálenosti od osy.
- Poměr sil tedy bude 1 ku 3. Bude tedy stačit třetinová síla (vůči těm 300 N).
- Zvedat musíme silou 100 N.
Druh páky
Pokud působí všechny síly na jedné straně od osy otáčení jde o jednozvratnou páku (osa otáčení je pak obvykle na kraji, např. pinzeta, trakař). Pokud působíme silami na opačných stranách od osy otáčení, jde o dvojzvratnou páku (např. kleště, nůžky, houpačka).
Proč platí podobné vztahy pro hmotnosti i síly?
- Díky přímé úměře tíhy závaží a hmotnosti (F=m g).
- Konstanta g je pro všechna závaží stejná.
- Dosadíme za F_1 a F_2 do rovnice F_1:F_2=r_2:r_1.
- Dostaneme (m_1g):(m_2g)=r_2:r_1.
- Protože m_1g:m_2g je vlastně zlomek, můžeme v něm krátit konstantu g.
- Dostaneme m_1:m_2=r_2:r_1.