Prednosti uporabe poluga i remenica

Sadržaj

• Rad, energija i snaga
• Osnove jednostavnih strojeva
• Mehanička prednost
• Predstavljamo polugu
• Klase poluga
• Fiziološke i anatomske poluge
• Problem s uzorkom poluge
• Mehanička prednost: remenica
• Remenica
• Problem sa uzorkom remenice
• Kalkulator mehaničke prednosti

Kad netko od vas zatraži da razmislite o konceptu a mašina u 21. stoljeću, virtualno je s obzirom na to da sve što vam slika poskoči uključuje elektroniku (npr. bilo šta s digitalnim komponentama) ili barem nešto što se napaja električnom energijom.

Ako to ne uspijete, ako ste ljubitelj, recimo, američke ekspanzije prema zapadu Tihog oceana 19. stoljeća na zapad, možete pomisliti na lokomotivu parni stroj koji je pokretao vlakove tih dana - i predstavljao je istinsko čudo tadašnje tehnike.

U stvarnosti, jednostavni strojevi postoje stotine, a u nekim slučajevima i tisuće godina, i nijedan od njih ne zahtijeva visokotehnološku montažu ili snagu izvan onoga što osoba ili ljudi koji ih koriste mogu opskrbiti. Cilj ovih različitih vrsta jednostavnih strojeva je isti: stvoriti dodatne sila po cijenu udaljenost u nekom obliku (a možda i malo vremena, ali i to je čudno).

Ako vam to zvuči kao magija, to je vjerojatno zato što zbunjujete silu energije, srodna količina. No iako je istina da se energija ne može „stvoriti“ u sustavu osim iz drugih oblika energije, isto se ne odnosi na silu, a jednostavni razlog za to čeka vas i više.

Rad, energija i snaga

Prije nego što navedete kako se predmeti koriste za pomicanje drugih predmeta u svijetu, dobro je imati rukovanje s osnovnom terminologijom.

U 17. stoljeću, Isaac Newton započeo je revolucionarni rad u fizici i matematici, čiji je vrhunac bio Newton uvodeći svoja tri temeljna zakona pokreta. Druga od njih kaže da je neto sila djeluje na ubrzavanje ili promjenu brzine mase: F_neto = m.

Kada sila pomiče objekt kroz pomak d, raditi priča se da je učinjeno na tom objektu:

W = F ⋅ d.

Vrijednost rada je pozitivna kad su sila i pomak u istom smjeru, a negativna kad je u drugom smjeru. Rad ima istu jedinicu kao i mjerač energije (naziva se i joule).

Energija je svojstvo materije koja se manifestuje na više načina, i u pokretnim i u mirovanju oblicima, i što je važno, čuva se u zatvorenim sustavima na isti način na koji u fizici djeluju sila i zamah (brzina mase puta).

Osnove jednostavnih strojeva

Jasno je da ljudi trebaju kretati stvari, često na velike udaljenosti. Korisno je biti u stanju zadržati udaljenost, a opet silu - koja zahtijeva ljudsku snagu, koja je bila još sjajnija u pretindustrijska vremena - nekako niska. Čini se da jednadžba rada to omogućuje; za određenu količinu rada, ne bi trebalo biti važno koje su pojedinačne vrijednosti F i d.

Kao što se događa, to je princip koji stoji iza jednostavnih strojeva, iako često ne sa idejom maksimiziranja varijable udaljenosti. Svih šest klasičnih tipova (the poluga, kotur, the kotač i osovina, the nagnuta ravnina, the klin i the vijak) koriste se za smanjenje primjene sile uz trošak udaljenosti da bi izveli istu količinu posla.

Mehanička prednost

Izraz "mehanička prednost" možda je primamljiviji nego što bi trebao biti, jer gotovo se čini da fizički sustavi mogu biti igrani kako bi se dobio više posla bez odgovarajućeg unosa energije. (Budući da rad ima jedinice energije i energija se čuva u zatvorenim sustavima, kada se radi, njegova veličina mora biti jednaka energiji koja se daje u bilo koji pokret.) Nažalost, to nije slučaj, ali mehanička prednost (MA) još uvijek nudi nekoliko finih utjeha.

Za sada razmotrite dvije suprotstavljene sile F₁ i F₂ koji djeluju oko točke okreta, zvane a točka oslonca, Ova količina, okretni moment, izračunava se jednostavno kao veličina i smjer sile pomnožene s udaljenosti L od gornjeg dijela, poznatom kao poluga poluga: T = F* L*. Ako su snage F₁ i F₂ biti u ravnoteži, T₁ mora biti jednak po veličini s T₂, ili

F₁L₁ = F₂L₂.

To se može i napisati F₂/ F₁ = L₁/ L₂, Ako je F₁ je ulazna sila (vi, netko drugi ili drugi stroj ili izvor energije) i F₂ je izlazna sila (naziva se i opterećenjem ili otporom), što je veći odnos F2 prema F1, veća je mehanička prednost sustava, jer se pomoću izlazne sile stvara relativno malo ulazne sile.

Omjer F₂/ F₁, ili možda po mogućnosti F_o/ F_ja, je jednadžba za MA. U uvodnim se problemima obično naziva idealna mehanička prednost (IMA), jer se učinci trenja i povlačenja zraka zanemaruju.

Predstavljamo polugu

Iz gornjih podataka sada znate od čega se sastoji osnovna poluga: a uporište, ulazna sila i a opterećenje, Unatoč ovom rasporedu golih kostiju, poluge u ljudskoj industriji dolaze u nevjerojatno raznolikim prikazima. Vjerojatno znate da ako koristite prešani trak za pomicanje nečega što nudi nekoliko drugih mogućnosti, upotrijebili ste polugu. No, također ste koristili polugu kada ste svirali klavir ili koristili standardni set škarama za nokte.

Ručice se mogu tako složiti u smislu fizičkog rasporeda tako da se njihove pojedinačne mehaničke prednosti zbroje na nešto još veće za sustav u cjelini. Ovaj se sistem naziva složena poluga (i kao što vidite, ima partnera u svijetu remenica).

Upravo ovaj multiplikativni aspekt jednostavnih strojeva, kako unutar pojedinih poluga i remenica, tako i između različitih u složenom rasporedu, čini jednostavne strojeve vrijedne ma kakve glavobolje povremeno mogu izazvati.

Klase poluga

poluga prvog reda ima žarište između sile i opterećenja. Primjer je "Klackalica"na školskom igralištu.

poluga drugog reda ima vrhunac na jednom kraju i silu na drugom, s teretom između. tačke je klasični primjer.

poluga trećeg reda, poput poluge drugog reda, ima žarište na jednom kraju. Ali u ovom slučaju opterećenje je na drugom kraju i sila se primjenjuje negdje između. Mnogi sportski alati, poput palica za bejzbol, predstavljaju ovu klasu poluga.

Mehanička prednost poluga može se manipulirati u stvarnom svijetu strateškim postavljanjem tri potrebna elementa bilo kojeg takvog sustava.

Fiziološke i anatomske poluge

Vaše je tijelo napunjeno interaktivnim polugama. Jedan primjer je bicep. Ovaj se mišić pričvršćuje na podlakticu u točki između lakta ("žarište") i bez obzira na opterećenje koje ruka nosi. To čini bicep polugu trećeg reda.

Možda i manje očito, teleći mišić i Ahilova tetiva u vašem stopalu djeluju zajedno kao drugačija poluga. Dok hodate i kotrljate se naprijed, kuglica vašeg stopala djeluje kao oslonac. Mišić i tetiva djeluju naprijed i naprijed, djelujući na tjelesnu težinu. Ovo je primjer poluge drugog reda, poput kolica.

Problem s uzorkom poluge

Automobil mase 1.000 kg ili 2.204 lb (masa: 9.800 N) smješten je na kraju vrlo krute, ali vrlo lagane čelične šipke, s uporištem postavljenim na 5 m od središta mase automobila. Osoba s masom od 5 kg (110 lb) kaže da može sama izmjeriti težinu automobila tako što stoji na drugom kraju štapa, koji se može horizontalno produžiti onoliko dugo koliko je potrebno. Koliko daleko mora biti ona od postizanja?

Ravnoteža snaga zahtijeva da F₁L₁ = F₂L₂, gdje je F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N, a L2 = 5. Dakle L1 = (9800) (5) / (490) = 100 m (malo duže od nogometnog igrališta).

Mehanička prednost: remenica

Kolotur je vrsta jednostavnog stroja koji se, poput ostalih, koristi u različitim oblicima tisućama godina. Vjerojatno ste ih vidjeli; oni mogu biti fiksni ili pomični i uključuju uže ili kabel umotani oko rotirajućeg kružnog diska koji ima utor ili druga sredstva za zaštitu kabela od klizanja bočno.

Glavna prednost remenice nije u tome što on pojačava MA, što ostaje kod vrijednosti 1 za jednostavne remenice; to je da može promijeniti smjer primijenjene sile. To možda nije previše važno ako gravitacija nije bila u mješavini, ali zato što to jest, gotovo svaki problem ljudskog inženjerstva uključuje borbu ili iskorištavanje na neki način.

Kolotur se može koristiti za dizanje teških predmeta s relativnom lakoćom omogućavajući primjenu sile u istom smjeru djelovanja gravitacije - povlačenjem prema dolje. U takvim situacijama možete koristiti i svoju tjelesnu masu kako biste podigli opterećenje.

Remenica

Kao što je napomenuto, budući da sve što čini jednostavni remenčić mijenja smjer sile, njegova se upotreba u stvarnom svijetu, iako značajna, ne povećava. Umjesto toga, sustavi više remenica s različitim radijusima mogu se koristiti za umnožavanje primijenjenih sila. To se postiže jednostavnim činom stvaranja više konopca potrebnim od F_ja pada kako d raste za fiksnu vrijednost W.

Kad jedna remenica u lancu od njih ima veći polumjer od onoga koji slijedi, to stvara mehaničku prednost u ovom paru koja je proporcionalna razlici u vrijednosti polumjera. Dug niz takvih remenica, nazvan a spojna remenica, može se kretati vrlo teškim teretom - samo ponesite dosta užadi!

Problem sa uzorkom remenice

Sanduk nedavno pristiglih knjiga fizike težine 3.000 N podiže radnik pristaništa, koji se na silu od 200 N povlači na konopcem. Koja je mehanička prednost sustava?

Ovaj je problem doista jednostavan kao što izgleda; F_o/ F_ja = 3,000/200 = 15.0. Poanta je ilustrirati koji su izvanredni i snažni izumi doista jednostavni strojevi, unatoč drevnosti i nedostatku elektroničkih glitsa.

Kalkulator mehaničke prednosti

Možete se počastiti mrežnim kalkulatorima koji vam omogućuju eksperimentiranje s mnoštvom različitih ulaza u pogledu vrsta poluga, relativne duljine poluga, konfiguracija remenica i više, tako da možete steći dojam o tome kako brojevi u ovakvim problemima igra. Primjer tako korisnog alata može se pronaći u Resursi.