Задания № 19, 20 · ЕГЭ

Равновесие рычага

Как применять правило моментов для равновесия рычага и вращающихся тел
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Рычаг находится в равновесии, когда действующие на него силы не вызывают вращения ни по часовой стрелке, ни против неё. Для решения задач нужно выбрать ось вращения, найти плечи сил и применить правило моментов.

Что называют равновесием рычага

Рычаг — твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Примеры рычага: линейка на подставке, гаечный ключ, ножницы, весы с двумя чашами. Точка или линия, вокруг которой происходит вращение, называется осью вращения или опорой.

D
Равновесие рычага

Рычаг находится в равновесии, если он не вращается и не изменяет поступательное движение. В простейшей задаче это означает, что сумма моментов всех сил относительно выбранной оси равна нулю.

Силы могут действовать на рычаг по-разному. Если сила стремится повернуть рычаг по часовой стрелке, её момент считают моментом одного знака; если против часовой стрелки — противоположного знака. При равновесии эти вращательные действия компенсируют друг друга.

F₁F₂Ol₁l₂
Рычаг с опорой O и двумя силами F₁, F₂; l₁ и l₂ — плечи сил.

Момент силы и правило моментов

Момент силы характеризует способность силы вращать тело относительно оси. Он зависит от значения силы и её плеча — кратчайшего расстояния от оси до линии действия силы.

\[M = F l\]

Здесь \(M\) — модуль момента силы, \(F\) — модуль силы, а \(l\) — её плечо. В СИ момент измеряют в Н·м. Плечо равно расстоянию не до точки приложения силы, а до линии действия силы.

T
Правило моментов

Для равновесия тела, способного вращаться вокруг неподвижной оси, алгебраическая сумма моментов всех сил относительно этой оси равна нулю: моменты, вращающие тело по часовой стрелке, равны моментам, вращающим его против часовой стрелки.

\[\sum M_O = 0\]

Если на рычаг действуют только две силы, направленные так, что одна вращает его по часовой стрелке, а другая — против, правило моментов записывают проще:

\[F_1 l_1 = F_2 l_2\]
\(F\)
сила
Н
\(l\)
плечо силы
м
\(M\)
момент силы
Н·м

Алгоритм решения задач

  1. Изобразите рычаг и все действующие силы. Не забудьте вес самого рычага, если его нельзя считать пренебрежимо малым.
  2. Выберите ось вращения. Обычно удобно брать опору: тогда силы реакции опоры имеют нулевое плечо и не входят в уравнение моментов.
  3. Для каждой силы проведите линию действия и определите плечо — перпендикулярное расстояние до оси.
  4. Разделите моменты на два направления вращения: по часовой стрелке и против часовой стрелки.
  5. Запишите условие равновесия, подставьте данные в единицах СИ и проверьте размерность ответа.

Если сила направлена перпендикулярно рычагу, её плечо часто совпадает с расстоянием от точки приложения силы до опоры. Если сила направлена под углом, плечо находят геометрически или используют формулу \(M=F r\sin\alpha\), где \(r\) — расстояние от оси до точки приложения силы, а \(\alpha\) — угол между радиусом-вектором и силой.

Микро-проверка

К рычагу приложена сила \(F\) вдоль самого рычага. Чему равен её момент относительно опоры на этом же рычаге?

Разобранный пример: нахождение неизвестной силы

№
Задача

Однородный рычаг длиной \(1{,}2\ \text{м}\) опирается на ось в точке, находящейся на расстоянии \(0{,}4\ \text{м}\) от левого конца. На левый конец действует вертикальная сила \(30\ \text{Н}\) вниз. Какую вертикальную силу нужно приложить к правому концу, чтобы рычаг находился в равновесии? Весом рычага пренебречь.

1
Расстояние от опоры до левого конца равно \(0{,}4\ \text{м}\), а до правого конца — \(1{,}2-0{,}4=0{,}8\ \text{м}\). Эти расстояния являются плечами, поскольку силы перпендикулярны рычагу.
\(\displaystyle l_1=0{,}4\ \text{м},\qquad l_2=0{,}8\ \text{м}\)
2
Силы на концах создают моменты противоположных направлений, поэтому при равновесии их модули равны.
\(\displaystyle F_1l_1=F_2l_2\)
3
Подставляем известные значения и выражаем неизвестную силу.
\(\displaystyle 30\cdot0{,}4=F_2\cdot0{,}8\)
4
Вычисляем значение силы.
\(\displaystyle F_2=\frac{30\cdot0{,}4}{0{,}8}=15\ \text{Н}\)

Ответ: к правому концу нужно приложить силу \(15\ \text{Н}\) вниз. Большое плечо правой силы компенсирует её меньшее значение.

Вес рычага и несколько сил

У однородного рычага сила тяжести приложена в его центре масс — обычно в середине рычага. Если центр масс находится не на оси, вес рычага создаёт собственный момент и его нужно включить в уравнение.

\[M_1+M_2+M_3+\dots=0\]

При наличии нескольких сил можно выбрать положительное направление вращения и записать моменты со знаками. Например, если против часовой стрелки считается положительным направлением, то момент силы, вращающей по часовой стрелке, будет отрицательным.

Для сложных тел важно учитывать все внешние силы: приложенные нагрузки, силу тяжести, натяжение нити и реакцию опоры. При выборе оси в точке опоры момент реакции равен нулю, но это не означает, что сама реакция отсутствует.

!
Частые ошибки

1. Используют расстояние до точки приложения вместо перпендикулярного плеча. 2. Складывают силы вместо их моментов. 3. Забывают вес рычага или груза. 4. Не переводят сантиметры в метры. 5. Считают реакцию опоры равной нулю: у неё может быть нулевой момент относительно выбранной оси, но сама сила обычно ненулевая. 6. Не различают направления вращения и приравнивают моменты сил, которые вращают тело в одну сторону.

Равновесие других вращающихся тел

Правило моментов применяют не только к прямому рычагу. Оно работает для ворот, колёс, блоков, стержней, весов и любых тел, которые могут вращаться вокруг оси. Главное условие — тело должно быть неподвижным или вращаться равномерно, без углового ускорения.

Для полного равновесия свободного тела одного условия моментов недостаточно: должна также выполняться сумма внешних сил, равная нулю. Если тело закреплено на оси, реакция опоры обеспечивает отсутствие поступательного движения, а правило моментов отвечает за отсутствие вращения.

Как быстро проверить ответ

Если сила приложена дальше от опоры, она должна быть меньше при том же компенсирующем моменте. Поэтому в формуле \(F_1l_1=F_2l_2\) большему плечу соответствует меньшая сила. Если получилось наоборот, проверьте плечи и единицы измерения.

Q
Быстрый тест по теме

Быстрая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · единицы
Какова единица момента силы в СИ?
Главное за минуту

Главное

  • Момент силы равен произведению силы на её перпендикулярное плечо: \(M=Fl\).
  • При равновесии сумма моментов относительно любой удобной оси равна нулю.
  • Для двух сил на рычаге: \(F_1l_1=F_2l_2\).
  • Ось удобно выбирать в опоре: момент реакции опоры тогда равен нулю.
  • Плечо — это расстояние до линии действия силы, а не обязательно до точки её приложения.
  • Для полного равновесия тела учитывают и моменты, и сумму внешних сил.