Предимствата на използването на лостове и ролки

Когато някой ви помоли да разгледате концепцията за aмашинапрез 21-ви век това е виртуално, като се има предвид, че каквото и изображение да скочи в съзнанието ви, включва електроника (например всичко с цифрови компоненти) или поне нещо, задвижвано от електричество.

В противен случай, ако сте фен на, да речем, американската експанзия от 19-ти век на запад към Тихия океан, може да се сетите за локомотивната парна машина, която задвижва влаковете по онова време - и представляваше истинско чудо на техниката по онова време.

В действителност,прости машинисъществуват от стотици, а в някои случаи и хиляди години и никой от тях не изисква високотехнологично сглобяване или захранване извън това, което човекът или хората, които ги използват, могат да доставят. Целта на тези различни видове прости машини е една и съща: да генерират допълнителнисилаза сметка наразстояниепод някаква форма (и може би малко време също, но това е капризно).

Ако това ви звучи като магия, вероятно това е така, защото бъркате силата с

Преди да се заемете с това как обектите се използват за придвижване на други обекти по света, добре е да се справите с основната терминология.

През 17 век Исак Нютон започва своята революционна работа по физика и математика, една от кулминациите на която Нютон представя трите си основни закона за движение. Втората от тях гласи, че нетнасиладейства за ускоряване или промяна на скоростта на масите:F_нето= mа​.

• Може да се покаже, че в затворена система приравновесие(т.е. когато скоростта на всичко, което се случва да се движи, не се променя), сумата от всички сили и въртящи моменти (сили, приложени около ос на въртене) са нула.

Когато сила движи обект през изместване d,работасе казва, че е направено по този обект:

Стойността на работата е положителна, когато силата и изместването са в една и съща посока, и отрицателна, когато е в другата посока. Работата има същата единица като енергията, метър (наричан още джаул).

Енергията е свойство на материята, което се проявява по много начини, както в подвижна, така и в „почиваща“ форма, и важно е, че се запазва в затворени системи по същия начин, по който са силата и импулсът (маса по скорост) по физика.

Ясно е, че хората трябва да преместват нещата, често на големи разстояния. Полезно е да можете да поддържате разстоянието високо, но силата - която изисква човешка сила, която беше още по-ярка в доиндустриалните времена - някак ниска. Изглежда, че работното уравнение позволява това; за даден обем работа не трябва да има значение какви са индивидуалните стойности на F и d.

Както се случва, това е принципът зад прости машини, макар и често не с идеята да се увеличи максимално променливата на разстоянието. Всичките шест класически типа (лост,наскрипец,колело и ос,наклонена равнина,клинивинт) се използват за намаляване на приложената сила с цената на разстоянието за извършване на същия обем работа.

Терминът "механично предимство" е може би по-примамлив, отколкото би трябвало да бъде, тъй като почти изглежда, че физическите системи могат да се играят, за да извлекат повече работа без съответния принос на енергия. (Тъй като работата има единици енергия и енергията се запазва в затворени системи, когато работата е свършена, нейната величината трябва да се равнява на енергията, вложена във всяко движение.) За съжаление това не е така, номеханично предимство (MA)все още предлага някои добри утешителни награди.

Засега разгледайте две противоположни сили F₁ и F₂ действащ около опорна точка, наречена aопорна точка. Това количество,въртящ момент, се изчислява просто като величината и посоката на силата, умножена по разстоянието L от опорната точка, известна католостово рамо​: ​T = F​​L. Ако силите F₁ и F₂ трябва да са в баланс,T₁трябва да е равна по размер наT₂, или

Това също може да се напишеF₂/ Е₁ = L₁/ L₂. Ако F₁ евходна сила(вие, някой друг или друга машина или източник на енергия) и F₂ еизходна сила(наричан още товар или съпротивление), тогава колкото по-голямо е съотношението F2 към F1, толкова по-високо е механично предимство на системата, тъй като се генерира повече изходна сила, използвайки сравнително малко входна сила.

СъотношениетоF₂/ Е₁,или може би за предпочитанеF_o/ Е_i,е уравнението за MA. При уводни проблеми обикновено се нарича идеално механично предимство (IMA), тъй като ефектите от триенето и въздушното съпротивление се игнорират.

От горната информация вече знаете от какво се състои основният лост: aопорна точка,anвходна силаи анатоварване. Въпреки тази гола кост, лостовете в човешката индустрия се представят в изключително разнообразни презентации. Вероятно знаете, че ако използвате лост за преместване на нещо, което предлага няколко други опции, сте използвали лост. Но сте използвали и лост, когато сте свирили на пиано или сте използвали стандартен комплект нокторезачки.

Лостовете могат да бъдат „подредени“ по отношение на физическото им разположение по такъв начин, че техните индивидуални механични предимства да се обобщят до нещо още по-голямо за системата като цяло. Тази система се нарича сложен лост (и има партньор в света на ролките, както ще видите).

Това е този мултипликативен аспект на прости машини, както в рамките на отделни лостове и ролки, така и между тях различни в смесена подредба, което прави простите машини на стойност каквито и да са главоболия от време на време причинява.

Aлост от първа поръчкаима опорна точка между силата и товара. Пример е "люлея"на училищна площадка.

Aлост от втори редима опорна точка в единия край и силата в другия, като натоварването е между тях. Theколичкае класическият пример.

Aлост от трети ред,като лост от втори ред, има опорна точка в единия край. Но в този случай натоварването е в другия край и силата се прилага някъде между тях. Много спортни уреди, като бейзболни бухалки, представляват този клас лост.

Механичното предимство на лостовете може да се манипулира в реалния свят със стратегическо разположение на трите необходими елемента на всяка такава система.

Тялото ви е натоварено с взаимодействащи лостове. Един пример е бицепсът. Този мускул се прикрепя към предмишницата в точка между лакътя („опорна точка“) и каквото и да е натоварване, което се поема от ръката. Това прави бицепса лост от трети ред.

По-малко очевидно може би, телешкият мускул и ахилесовото сухожилие в крака ви действат заедно като различен лост. Докато вървите и се търкаляте напред, топката на крака ви действа като опорна точка. Мускулите и сухожилията упражняват сила нагоре и напред, противодействайки на телесното ви тегло. Това е пример за лост от втори ред, като количка.

Автомобил с маса 1000 кг или тегло 9 800 N е кацнал в края на много твърд, но много лек стоманен прът, с опорна точка, поставена на 5 м от центъра на масата на автомобила. Човек с маса от 5 кг (110 lb) казва, че може сама да компенсира теглото на колата като стоите на другия край на пръта, който може да бъде удължен хоризонтално толкова дълго, колкото е необходими. Колко далеч от опорната точка трябва да бъде тя, за да постигне това?

Балансът на силите изисква F₁L₁ = F₂L₂, където F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N и L2 = 5. По този начин L1 = (9800) (5) / (490) =100 м(малко по-дълго от футболно игрище).

Една ролка е вид проста машина, която, подобно на останалите, се използва в различни форми от хиляди години. Сигурно сте ги виждали; те могат да бъдат неподвижни или подвижни и да включват въже или кабел, навити около въртящ се кръгъл диск, който има жлеб или друго средство за предпазване на кабела от плъзгане настрани.

Основното предимство на ролката не е, че тя усилва MA, което остава на стойност 1 за обикновени ролки; то е, че може да промени посоката на приложена сила. Това може да няма голямо значение, ако гравитацията не беше в комбинацията, но тъй като е, практически всеки човешки инженерен проблем включва борба или използване по някакъв начин.

Една ролка може да се използва за повдигане на тежки предмети с относителна лекота, като прави възможно прилагането на сила в една и съща посока на действието на гравитацията - чрез изтегляне надолу. В такива ситуации можете също да използвате собствената си телесна маса, за да помогнете за повишаване на натоварването.

Както беше отбелязано, тъй като всичко, което прави обикновената ролка, е да променя посоката на силата, нейната полезност в реалния свят, макар и значителна, не е максимална. Вместо това могат да се използват системи от множество ролки с различни радиуси за умножаване на приложените сили. Това се прави чрез простия акт на необходимост от повече въжета, тъй като F_i пада, когато d нараства за фиксирана стойност на W.

Когато една ролка във верига от тях има по-голям радиус от този, който я следва, това създава механично предимство в тази двойка, което е пропорционално на разликата в стойността на радиусите. Дълъг набор от такива ролки, наречен aсъставна ролка, може да премества много тежки товари - просто носете много въже!

Сандък с наскоро пристигнали учебници по физика с тегло 3000 N се вдига от работник на док, който дърпа със сила 200 N върху въжето на ролката. Какво е механичното предимство на системата?

Този проблем наистина е толкова прост, колкото изглежда;F_o/ Е_i​ = 3,000/200 = ​15.0.Въпросът е да се илюстрира какви забележителни и мощни изобретения наистина са прости машини, въпреки тяхната древност и липса на електронен блясък.

Можете да се поглезите с онлайн калкулатори, които ви позволяват да експериментирате с множество различни входове по отношение на типовете лостове, относителна дължина на рамото на лоста, конфигурации на ролки и още, за да можете да придобиете практическо усещане за това как числата в тези видове проблеми играят. Пример за такъв удобен инструмент можете да намерите в Ресурси.