Hur hävarmar fungerar: stödpunkt, vridmoment och mekanisk fördel.

Vad en hävstång består av.

Varje hävstång har samma tre delar:

• vridpunkten, den fasta punkt som stången vrider sig runt,
• kraften, den knuff eller det drag du använder, och
• lasten, det du vill flytta eller hålla emot.

Avståndet från vridpunkten till den plats där kraften verkar är kraftarmen. Avståndet från vridpunkten till lasten är lastarmen. Nästan allt om hur en hävstång beter sig beror på att man jämför de två längderna.

En hävstång skapar inte energi. Den låter dig fördela samma arbete över en annan kraft och ett annat avstånd. Därför känns det lättare eller går snabbare, men aldrig båda samtidigt.

Vridmoment och balanslagen

En kraft vrider en stång mer effektivt ju längre från vridpunkten den verkar. Den vridande effekten kallas vridmoment, och för en kraft som verkar i rät vinkel mot stången är den

torque = force × arm length

En hävstång är balanserad när vridmomentet som försöker vrida den åt ena hållet är lika stort som vridmomentet som försöker vrida den åt andra hållet:

effort × effort arm = load × load arm

Här är ett snabbt exempel med påhittade tal. En last på 600 g ligger 15 cm från vridpunkten. Om du balanserar den med en kraft 30 cm ut på andra sidan behöver kraften bara vara hälften så stor som lasten, eftersom hävarmen är dubbelt så lång. Om du trycker hårdare närmare vridpunkten kan du också balansera samma last.

Om man räknar om formeln får man den mekaniska fördelen, alltså förhållandet mellan last och kraft:

MA = effort arm ÷ load arm

Om hävarmen för kraften är tre gånger så lång som hävarmen för lasten kan du lyfta en last som är ungefär tre gånger så stor som kraften du använder.

Det finns ingenting som är helt gratis.

En mekanisk fördel större än 1 låter som ett fynd, men det har ett pris. För att lyfta lasten en liten sträcka måste din ände röra sig en mycket längre sträcka. Flytta vridpunkten närmare lasten så behöver du mindre kraft, men du måste föra din sida genom en längre båge.

Det är maskiners gyllene regel: mindre kraft betyder alltid längre sträcka. I en idealisk hävstång är kraft gånger sträcka lika stort i båda ändarna, så arbetet du lägger in är lika stort som arbetet du får ut. Riktiga hävstänger förlorar lite på grund av friktion och böjning, men de kan inte överträffa det gränsvärdet.

Att flytta vridpunkten är också ett sätt att välja mellan hållfasthet och hastighet. En kort hävarm för kraften betyder en stor rörelse vid laständen när din hand rör sig lite. Det är användbart när hastighet eller räckvidd är viktigare än kraft.

De tre olika typerna av hävstänger

Hävstänger delas in efter vad som finns i mitten.

Första klassen: vridpunkt i mitten

Kraftinsatsen och belastningen finns på varsin sida om vridpunkten. Gungbrädor, saxar och bräckjärn är exempel. Eftersom du kan flytta vridpunkten var som helst mellan de två ändarna kan den mekaniska fördelen vara större än 1, lika med 1 eller mindre än 1.

Andra klassen: belastning i mitten

Belastningen finns mellan vridpunkten och kraftinsatsen, så kraftarmen är alltid längre. En skottkärra och en kapsylöppnare fungerar på det här sättet, och de förstärker alltid din kraft.

Tredje klassen: kraftinsats i mitten

Kraften appliceras mellan vridpunkten och belastningen. Den mekaniska fördelen är mindre än 1, så du måste trycka hårdare än belastningens tyngd. Fördelen är att belastningsänden rör sig längre och snabbare. Pincetter, fiskespön och den mänskliga underarmen är alla hävstänger av tredje klassen: din muskel sitter nära armbågen, vilket ger handen en stor och snabb rörelse.

Vanliga misstag

• Measuring from the wrong place. Arms are measured from the fulcrum, not from the end of the bar.
• Thinking longer always wins. A long effort arm helps force, but only if the load arm stays short. It is the ratio that counts.
• Forgetting the angle. The balance rule above assumes the force is at right angles to the bar. A push at a slant has a smaller turning effect.
• Believing third-class levers are bad. They give up force on purpose to gain speed and range, which is just what a baseball bat or your arm needs.

Hur du kan undersöka detta i ett laboratorium.

I labbet Simple Machines får du veva på riktiga hävstänger och känna effekten av att flytta vridpunkten. En bra ordning genom den första kostnadsfria världen:

1. Börja med Vad är en hävstång? för att lära känna delarna.
2. Flytta vridpunkten i Vridpunkten och se hur kraft byts mot avstånd.
3. Jämför de tre klasserna: Hävstänger av första klassen, Hävstänger av andra klassen och Hävstänger av tredje klassen.
4. Sätt siffror på det i Balansakten.

Labbet är en förenklad modell med stela, viktlösa stänger och ingen friktion, så siffrorna blir tydliga. Riktiga verktyg böjs, slits och förlorar lite energi, men balansregeln beskriver dem fortfarande bra.