Страница 190 — Глава 4. Работа и мощность. Энергия. § 55. Рычаги в…

Ножницы состоят из двух половин, которые соединены винтом и могут вращаться вокруг общей оси, проходящей через этот винт, — это два рычага на общей оси. Признаки рычага у ножниц: 1) есть твёрдое тело (половины ножниц), способное вращаться вокруг неподвижной оси; 2) к рукоятке приложена действующая сила F₁ (мышцы руки), а к лезвию — противодействующая сила F₂ (сопротивление разрезаемого материала); 3) силы приложены на разных расстояниях от оси, то есть имеют плечи l₁ и l₂; 4) выполняется правило равновесия рычага F₁/F₂ = l₂/l₁ (момент силы руки равен моменту силы сопротивления при равномерном резании).

Выигрыш в силе рычаг даёт тогда, когда плечо действующей силы больше плеча силы сопротивления. У ножниц для металла и кусачек рукоятки длинные, а режущие лезвия короткие, и разрезаемый материал помещают ближе к оси вращения. Поэтому плечо силы руки l₁ значительно больше плеча силы сопротивления l₂. По правилу равновесия рычага F₁/F₂ = l₂/l₁, значит, сила руки F₁ во столько раз меньше силы сопротивления материала F₂, во сколько раз l₁ больше l₂. Например, если рукоятка в 5 раз длиннее лезвия, то для перекусывания проволоки с сопротивлением 100 Н достаточно силы руки 20 Н. При этом, по «золотому правилу» механики, рукоятки проходят путь в 5 раз больше, чем лезвия: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии.

Рычаги в быту встречаются очень часто: ножницы, кусачки, плоскогубцы, пинцет; гаечный ключ; ручка и дверь на петлях; клавиша выключателя; ручка водопроводного крана; дужка очков; открывалка для бутылок и консервный нож; щипцы для орехов; весло, педали велосипеда; ручной рычаг мясорубки; тачка; рычажные весы; качели-балансир; кухонные весы с коромыслом. Во всех этих устройствах есть твёрдое тело, вращающееся вокруг оси или опоры под действием сил с разными плечами.

Твёрдое тело может выполнять роль рычага, если у него есть неподвижная ось вращения (точка опоры), вокруг которой оно может поворачиваться, и к нему приложены силы, линии действия которых не проходят через эту ось. Тогда у сил есть плечи и моменты, и тело подчиняется правилу моментов. Кроме того, тело не должно деформироваться: рычаг должен быть достаточно прочным и жёстким, чтобы передавать силу от одной точки к другой.

Рычаг второго рода — такой, у которого точка приложения силы сопротивления (груза) находится между опорой и точкой приложения действующей силы. Предплечье — кость (твёрдое тело), которая вращается вокруг неподвижной оси — локтевого сустава. Нагрузка (вес шара) приложена к кисти, мышца прикреплена к кости, и обе силы действуют на предплечье, поворачивая его в противоположные стороны: мышца — вверх, вес шара — вниз; у каждой силы своё плечо относительно оси. Рука выполняет роль рычага, поэтому выполняется правило моментов: сила мышцы F₁ связана с весом шара P соотношением F₁l₁ = Pl₂.
Оговорка: в анатомии такое устройство принято относить чаще к рычагам третьего рода (мышца прикреплена ближе к суставу, чем груз, поэтому выигрыш получают в расстоянии, а не в силе); номер рода зависит от того, какие точки считают опорой и точками приложения сил на рисунке. Здесь дано объяснение в рамках формулировки учебника.

Тема: рычажные тренажёры для исправления осанки.
1. Что такое осанка и почему её исправляют. Осанка — привычное положение тела человека при стоянии и сидении. Слабые мышцы спины и живота приводят к сутулости и искривлению позвоночника, поэтому мышцы нужно тренировать.
2. Как устроены рычажные тренажёры. В основе лежит правило равновесия рычага. Тренажёр — это рама с подвижным рычагом (рукояткой, тягой), закреплённым на оси; к другому плечу прикреплён груз или упругий элемент (пружина, резина, блок с блином). Человек прикладывает силу к рукоятке, поворачивая рычаг вокруг оси.
3. Примеры. Тренажёр «тяга к груди» (верхний блок) и «тяга горизонтального блока» развивают мышцы спины; «баттерфляй» (рычажная тяга) укрепляет мышцы лопаток и груди; гиперэкстензия — разгибание туловища на наклонной скамье — укрепляет мышцы-разгибатели позвоночника; «рычажная тяга Т-образной рукояти». Для коррекции осанки в домашних условиях используют эспандеры, балансировочные доски и корректоры осанки.
4. Роль рычага. Меняя длину плеча (положение груза на рычаге или точку крепления), регулируют нагрузку: чем длиннее плечо груза, тем больший момент нужно преодолеть и тем сильнее нагружаются мышцы.
5. Правила занятий. Тренироваться нужно под руководством тренера или врача ЛФК, без рывков, с правильной техникой дыхания; нагрузку увеличивать постепенно; при болях в позвоночнике занятия прекращают.
Вывод: рычажные тренажёры позволяют дозировать нагрузку на нужные группы мышц, а регулярные занятия укрепляют «мышечный корсет» и улучшают осанку.