Co mají společného nůž, špendlík a dláto? Pokud si myslíte, že jsou všechny ostré a dokážou věci prořezávat nebo procházet, máte částečně pravdu, ale nyní přidejte do seznamu zarážku. Není nijak zvlášť ostrý a nemůže nic řezat, ale přesto patří, protože všechny položky jsou příklady klínů.
Klín je jedním ze šesti zařízení známých vědě jako jednoduché stroje. Kromě klínu jednoduché stroje zahrnují nakloněnou rovinu, šroub, kolo a nápravu, kladku a páku. Někteří vědci zařazují rychlostní stupeň jako sedmý vstup, ale jiní považují rychlostní stupeň za složitý stroj zahrnující kolo i nápravu plus páku.
Co je to jednoduchý stroj?
Jednoduchý stroj je základní zařízení, které znásobuje sílu, kterou na něj aplikujete. Není to zařízení s vnitřními součástmi, které vyžadují zdroj energie, jako je automobilový motor, ale není to méně důležité pro práci v reálném světě. Jednoduché stroje existují už tak dlouho, dokud existuje civilizace, a dalo by se dokonce namítnout, že objev jednoduchých strojů, jako je kolo a klín, umožnil civilizaci v první místo.
Kompromisem pro zvýšenou sílu vyvíjenou jednoduchým strojem je to, že musíte použít sílu na delší vzdálenost. Mechanická výhoda stroje se scvrkává na poměr vzdálenosti, kterou použijete sílu na vzdálenost stroj aplikuje sílu a ta musí být menší, aby mechanická výhoda byla větší než 1. Používat stroj s mechanickou výhodou menší než 1 by bylo stejně užitečné jako dívat se na špatnou stranu dalekohledu.
Mechanická výhoda klínu
Klín je podobný oboustranně nakloněné rovině, ale je považován za stroj podle svých vlastních předností, protože se vždy používá k určitému účelu, kterým je dělení věcí od sebe. Čím ostřejší je konec klínu a čím jemnější je sklon jeho stran, tím větší síla bude klín dodávat. Proto jsou ostré nože s tenkými čepelemi pro řezání lepší než tupé se silnými čepelemi.
Z matematického hlediska je ideální mechanickou výhodou (IMA) klínu poměr vzdálenosti, kterou klín pronikne do materiálu, který se štěpí (D) na šířku rozdělení (Ž):
IMA = D / W
Toto je výpočet klínové síly, ale nemůžete jej použít k přímému výpočtu síly vyvíjené klínem na konkrétní materiál, protože nezohledňuje tření. Při řezání sýrem narazíte na větší tření než na máslo a tření působí tak, že kompenzuje hnací sílu klínu.
Jak vypočítat hnací sílu
Ideální mechanickou výhodu klínu můžete použít k výpočtu síly na špičce klínu (FT) pokud znáte sílu působící na klín (FA). Vztah je:
FT = (IMA) × FA = D / W × FA
Tento vztah je však neúplný, protože nezahrnuje sílu tření působící proti klínu. Tato síla závisí na koeficientu tření klínu a materiálu, který se štěpí, takže je vysoce variabilní. Pokud je koeficient kinetického tření mezi klínem a materiálem µ, celková třecí síla (FF) proti pohybu je:
FF = µFN
Kde FN je normální síla vyvíjená na hranici klínu a materiálu. FN závisí na úhlu klínu.
Jakmile jste vypočítali FF, můžete určit sílu vyvíjenou špičkou klínu. To je:
FT - FF