Механизм «ворот» является разновидностью простого механизма «рычаг» и состоит из цилиндра с прикреплённой к нему рукояткой (см. пример колодезного ворота на рисунке). Ворот был изобретён ещё в глубокой древности, и чаще всего его использовали для подъёма воды из колодца, получая выигрыш в силе.
Применим к вороту правило равновесия рычага:
отношение плечей сил, уравновешенных на рычаге, равно обратному отношению сил
Взгляните на чертёж под рисунком. Плечами сил являются радиусы r и R, по которым вместе с воротом «вращаются» точки приложения сил. Эти радиусы отличаются в 2 раза, как видно из чертежа. Тогда получим:
В соответствии с правилом равновесия рычага будет справедливо, что:
Это значит, что сила, прикладываемая нами к рукоятке, в 2 раза меньше силы, с которой цепь или верёвка тянет вниз. Отношение радиусов r и R может быть любым, а не только 1:2, как на рисунке. При отношении радиусов, например, 1:3, прикладываемая нами сила будет в 3 раза меньше силы натяжения верёвки и так далее. То есть выигрыш в силе, который даёт ворот, будет определяется отношением радиуса окружности R, по которой движется рукоятка, к радиусу цилиндра, на который наматывается верёвка r.
Примером ворота служит и обычная отвёртка, ведь она тоже является цилиндром (это металлический стержень с плоским или фигурным концом) с прикреплённой к нему рукояткой. Взгляните на фотографию и чертёж справа: вид «с торца». При вращении отвёртки мы получаем выигрыш в силе, равный отношению радиуса рукоятки к радиусу стержня.
Ворот может давать выигрыш не только в силе, но и в скорости. Для этого нужно приложить силу к цилиндру малого радиуса - вращающемуся валу. Тогда прикреплённый к нему диск большего радиуса за тоже время будут проходить больший путь, то есть иметь бо’льшую скорость. Это применяется, например, в шлифовальных машинах (см. рисунок).
Аналогично и в устройстве циркулярной пилы (см. рисунок ниже). Большая скорость вращения диска нужна для ровного края спила. На вал малого радиуса r насаживают диск с острыми зубцами. На рисунке справа показано, как получается выигрыш в скорости точек края диска.
При повороте диска на угол j точки A1 и B1 за одно и то же время проходят разные пути. Дуга B1B2 больше дуги A1A2 во столько раз, во сколько раз радиус пилы R больше r, радиуса вала, приводимого во вращение электродвигателем. А так как точки A1 и B1 вращаются одновременно, то их скорости зависят от радиуса. Если радиус вала 5 мм, а радиус диска 65 мм, то выигрыш в скорости составит 65/5=13 раз. Ровный и быстрый распил такой дисковой пилой обеспечен!
