Обозначения на рис. 7:

r – радиус-вектор (плечо силы); F – сила, приложенная к концу радиус-вектора и направленная перпендикулярно к нему. Окружность – траектория конца радиус-вектора r; I, II – начальное и конечное положения конца радиус-вектора; ? – угол поворота радиус-вектора; М – вектор момента силы.

Пояснения:

• Вариант 1). Начальные положения и направления силы F и радиус-вектора r. Момент силы – векторная величина, которая показывает, что приложенная сила стремиться вращать объект. Такое действие обусловлено наличием у объекта оси вращения и плеча силы. Плечо силы – это кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы. В приведенном примере, оно обозначено радиус-вектором «r».

• Вариант 2). Вектор момента силы обозначен как «M». Он лежит на оси вращения объекта (аксиальный вектор) и направлен перпендикулярно плоскости, в которой действует сила и перемещается плечо силы (радиус-вектор). Величина момента силы определяется как векторное произведение силы на ее плечо M = F · r. Направление вектора момента силы устанавливается правилом правовинтового буравчика: «Сила вращает рукоятку буравчика вправо, а направление движения его острия укажет направление вектора момента силы».

При рассмотрении момента силы столкнулись с понятиями о силе, о векторах. Рассмотрим их более подробно.

Силы упоминают, когда говорят о взаимодействии объектов. У нее много различных названий (механическая, магнитная, электрическая, гравитационная и т. д.), а причина одна – энергия.

Механическая сила – это мера взаимодействия объектов, она причина изменения положения, траектории, скорости или деформации объекта, к которому приложена. Поскольку мы рассматриваем только механическую сторону движений, то в дальнейшем будем пользоваться только названием сила.

Сила величина векторная и характеризуется величиной и направлением действия. Графическое изображение силы позволяет составить образ взаимодействия объектов.

Векторные величины обозначаются с помощью букв со стрелочкой или черточками над ними. Векторные величины в графической (геометрической) форме изображаются в виде отрезка линии со стрелочкой. Начало вектора – точка, из которой он исходит, конец вектора – окончание стрелочки. Длина вектора отражает количественное значение величины, а расположение показывает точку приложения и направление её действия.

Как всегда, вооружившись необходимыми знаниями, движемся дальше по выбранному пути. Следующий этап – с помощью понятия о моменте силы определить условия равновесия рычажной конструкции, которое следует вслед за равенством моментов сил, приложенных к разным концам рычага. В качестве примера рассмотрим рычажную конструкцию с участием рычага предплечья и плеча ССЧ. Плечо создаёт ось вращения, а предплечье, как рычаг, противодействует нагрузке, которая поочерёдно направляется на сгибание, а затем на разгибание его относительно плеча (рис. 8).

Обозначения на рис. 8:

Пл – плечо; 0–0 – ось вращения рычага; Пр1, Пр2, Д – точки приложения сил; m – масса нагрузки; Р1, Р2 – силы мышц; L1, L2 – плечи сил соответствующих мышц; Pm – сила, созданная нагрузкой; Lm – плечо силы нагрузки.

Пояснения:

• Предплечье. На рисунке локтевая кость. Окружность в локтевом суставе показывает, что этот сустав блоковидный и нём возможно вращение относительно оси 0–0. Точки Пр1, Пр2 и Д обозначают места прикрепления мышц на проксимальном и дистальном конце рычага. В вариантах 1) и 2) предплечье рычаг между точками Пр1 и Д, который может вращаться относительно оси 0–0. Ось вращения для него создаёт рычаг плеча.

• Вариант 1). Рычажная конструкция 1-го рода. Внешняя нагрузка (Pm), приложена к точке Д и создаёт момент силы (Pm · Lm), который направлен на сгибание предплечья в локтевом суставе. Этот момент силы уравновешивается моментом силы мышц, так как рычажная конструкции трансформирует силу нагрузки и перемещает её на линию действия силы мышц. Условия равновесия рычажной конструкции – момент силы на одном конце рычага равен моменту силы на другом конце рычага (Р1 · L1 = Pm · Lm).

• Варианта 2). Рычажная конструкция 2-го рода. Момент силы внешней нагрузки, которая приложена к точке Д, направлен на разгибание предплечья в локтевом суставе. Условия равновесия рычажной конструкции следуют из равенства моментов сил нагрузки и мышц (Pm · Lm = Р2 · L2).

Линии действия сил в обоих рычажных конструкциях параллельны, но в зависимости от рода рычажной конструкции направления силы мышц различны так как положение оси вращения относительно них различное. В рычажной конструкции 1-го рода ось вращения расположена между силами, а в рычажной конструкции 2-го рода – сбоку от обеих сил.

Какое-то представление о силах и моментах сил получили. Кроме того установили, что рычажные конструкции бывают первого или второго рода. Этого достаточно чтобы рассмотреть очень важный вопрос об организации движений собственных рычагов. В рис. 8 на предплечье точками показаны места прикрепления мышц. Эти точки определяют начала действия векторов сил, которые создают мышцы. Мышцы могут прикрепляться к ближнему или дальнему концам рычага.