Fordelene ved at bruge håndtag og remskiver

Når nogen beder dig om at overveje begrebet amaskinei det 21. århundrede er det en virtuel betragtning, at uanset hvilket billede der springer ind i dit sind involverer elektronik (fx alt med digitale komponenter) eller i det mindste noget, der drives af elektricitet.

Mislykkes det, hvis du er fan af f.eks. Amerikansk ekspansion fra det 19. århundrede mod Stillehavet, kan du tænke på lokomotivdampmaskinen, der drev tog i disse dage - og repræsenterede et ægte vidunder af teknik på det tidspunkt.

I virkeligheden,enkle maskinerhar eksisteret i hundreder og i nogle tilfælde tusinder af år, og ingen af ​​dem kræver højteknologisk samling eller magt uden for hvad den person eller de mennesker, der bruger dem, kan levere. Målet med disse forskellige typer enkle maskiner er det samme: at generere yderligerekraftpå bekostning afafstandi en eller anden form (og måske også lidt tid, men det skænder).

Hvis det lyder som magi for dig, er det sandsynligvis fordi du forveksler magt medenergi,en relateret mængde. Men selvom det er sandt, at energi ikke kan "skabes" i et system undtagen fra andre former for energi, gælder det samme ikke for kraft, og den enkle grund til dette og mere venter dig.

Inden du tackler, hvordan genstande bruges til at flytte andre objekter rundt i verden, er det godt at have et greb om grundlæggende terminologi.

I det 17. århundrede begyndte Isaac Newton sit revolutionerende arbejde inden for fysik og matematik, hvoraf den ene kulmination var Newton, der introducerede sine tre grundlæggende bevægelseslove. Den anden af ​​disse siger, at et netkraftvirker for at fremskynde eller ændre massenes hastighed:F_net= m-en​.

• Det kan vises, at i et lukket system klligevægt(dvs. hvor hastigheden af ​​alt, der tilfældigvis bevæger sig ikke ændrer sig), er summen af ​​alle kræfter og drejningsmomenter (kræfter, der påføres omkring en rotationsakse) nul.

Når en kraft bevæger et objekt gennem en forskydning d,arbejdesiges at være gjort på dette objekt:

Værdien af ​​arbejde er positiv, når kraften og forskydningen er i samme retning, og negativ, når den er i den anden retning. Arbejde har den samme enhed som energi, måleren (også kaldet joule).

Energi er en egenskab af stof, der manifesterer sig på mange måder i både bevægelige og "hvilende" former, og vigtigst af alt er det bevaret i lukkede systemer på samme måde som kraft og momentum (masse gange hastighed) er i fysik.

Det er klart, at mennesker har brug for at flytte ting, ofte lange afstande. Det er nyttigt at være i stand til at holde afstanden høj, men alligevel kraft - hvilket kræver menneskelig magt, hvilket var desto mere blændende i førindustrielle tider - på en eller anden måde lav. Arbejdsligningen ser ud til at tillade dette; for en given mængde arbejde skal det ikke være ligegyldigt, hvad de individuelle værdier for F og d er.

Som det sker, er dette princippet bag enkle maskiner, men ofte ikke med tanken om at maksimere afstandsvariablen. Alle seks klassiske typer (håndtag,detremskive, dethjul og aksel, detskråplan, detkileogskrue) bruges til at reducere anvendt kraft på bekostning af afstand for at udføre den samme mængde arbejde.

Udtrykket "mekanisk fordel" er måske mere lokkende, end det burde være, da det næsten synes at antyde, at fysiske systemer kan spilles for at udvinde mere arbejde uden et tilsvarende input af energi. (Fordi arbejde har enheder af energi, og energi bevares i lukkede systemer, når arbejdet er udført, dets størrelsen skal svare til den energi, der sættes i den bevægelse, der opstår.) Desværre er dette ikke tilfældet, menmekanisk fordel (MA)tilbyder stadig nogle fine trøstepræmier.

Overvej indtil videre to modsatrettede kræfter F₁ og F₂ handler om et omdrejningspunkt, kaldet aomdrejningspunkt. Denne mængde,drejningsmoment, beregnes simpelthen som kraftens størrelse og retning ganget med afstanden L fra omdrejningspunktet, kendt somløftearm​: ​T = F​​L. Hvis kræfterne F₁ og F₂ skal være i balance,T₁skal have samme størrelse somT₂, eller

Dette kan også skrivesF₂/ F₁ = L₁/ L₂. Hvis F₁ erindgangskraft(dig, en anden eller en anden maskine eller energikilde) og F₂ erudgangskraft(også kaldet belastningen eller modstanden), jo højere forholdet mellem F2 og F1 er, jo højere er det mekanisk fordel ved systemet, fordi der genereres mere outputkraft ved hjælp af relativt lidt indgangskraft.

RadioenF₂/ F₁,eller måske helstF_o/ F_jeg,er ligningen for MA. I indledende problemer kaldes det normalt ideel mekanisk fordel (IMA), fordi virkningerne af friktion og luftmodstand ignoreres.

Fra ovenstående oplysninger ved du nu, hvad en grundhåndtag består af: astøttepunkt,enindgangskraftog enbelastning. På trods af dette arrangement med bare knogler kommer løftestænger i den menneskelige industri i bemærkelsesværdigt forskellige præsentationer. Du ved sikkert, at hvis du bruger en lirkebjælke til at flytte noget, der tilbyder få andre muligheder, har du brugt et håndtag. Men du har også brugt en løftestang, når du har spillet klaver eller brugt et standardsæt neglesaks.

Håndtag kan "stables" med hensyn til deres fysiske arrangement på en sådan måde, at deres individuelle mekaniske fordele opsummeres til noget endnu større for systemet som helhed. Dette system kaldes en sammensat håndtag (og har en partner i remskiveverdenen, som du vil se).

Det er dette multiplikationsaspekt ved enkle maskiner, både inden for individuelle håndtag og remskiver og imellem forskellige i et sammensat arrangement, der gør enkle maskiner værd, uanset hvilken hovedpine de måtte have lejlighedsvis årsag.

ENførste ordens håndtaghar omdrejningspunktet mellem kraften og belastningen. Et eksempel er en "se-sav"på en skoleplads.

ENanden ordens håndtaghar omdrejningspunktet i den ene ende og kraften i den anden med belastningen imellem. Dettrillebører det klassiske eksempel.

ENtredje ordens håndtag,som en andenordens løftestang, har omdrejningspunktet i den ene ende. Men i dette tilfælde er belastningen i den anden ende, og kraften påføres et sted imellem. Mange sportsredskaber, såsom baseballbats, repræsenterer denne klasse af løftestang.

Den mekaniske fordel ved håndtag kan manipuleres i den virkelige verden med strategiske placeringer af de tre nødvendige elementer i et sådant system.

Din krop er fyldt med interagerende håndtag. Et eksempel er bicep. Denne muskel fæstner sig til underarmen et sted mellem albuen ("støttepunktet") og den belastning, som hånden bærer. Dette gør bicep til en tredje ordens håndtag.

Mindre selvindlysende måske fungerer lægmusklen og akillessenen i din fod sammen som en anden slags løftestang. Når du går og ruller fremad, fungerer din fods kugle som et omdrejningspunkt. Muskler og sener udøver kraft opad og fremad, hvilket modvirker din kropsvægt. Dette er et eksempel på en andenordens håndtag, som en trillebør.

En bil med en masse på 1.000 kg eller 2.204 lb (vægt: 9.800 N) ligger på enden af ​​en meget stiv, men meget let stålstang, med en støttepunkt placeret 5 m fra bilens massepunkt. En person med en vægt på 5 kg (110 lb) siger, at hun selv kan udligne vægten af ​​bilen ved at stå i den anden ende af stangen, som kan forlænges vandret så længe det er havde brug for. Hvor langt fra omdrejningspunktet skal hun være for at opnå dette?

Balance mellem kræfter kræver, at F₁L₁ = F₂L₂hvor F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N og L2 = 5. Således er L1 = (9800) (5) / (490) =100 m(lidt længere end en fodboldbane).

En remskive er en slags simpel maskine, der ligesom de andre har været i brug i forskellige former i tusinder af år. Du har sikkert set dem; de kan være faste eller bevægelige og inkluderer et reb eller kabel, der er viklet omkring en roterende cirkulær skive, som har en rille eller et andet middel til at forhindre kablet i at glide sidelæns.

Den største fordel ved en remskive er ikke, at den øger MA, som forbliver på værdien 1 for enkle remskiver; det er, at det kan ændre retningen på en anvendt kraft. Dette betyder måske ikke meget, hvis tyngdekraften ikke var i blandingen, men fordi det er, involverer stort set alle menneskelige ingeniørproblemer kamp eller udnyttelse af det på en eller anden måde.

En remskive kan bruges til at løfte tunge genstande med relativ lethed ved at gøre det muligt at anvende kraft i samme retning, hvor tyngdekraften virker - ved at trække ned. I sådanne situationer kan du også bruge din egen kropsmasse til at hæve belastningen.

Da alt, hvad en simpel remskive gør, er at ændre kraftens retning, er dens anvendelighed i den virkelige verden, selvom den er betydelig, ikke maksimeret. I stedet kan systemer med flere remskiver med forskellige radier bruges til at multiplicere påførte kræfter. Dette gøres gennem den enkle handling at gøre mere reb nødvendigt, da F_jeg falder som d stiger til en fast værdi på W.

Når en remskive i en kæde af dem har en større radius end den, der følger den, skaber dette en mekanisk fordel i dette par, der er proportional med forskellen i radiens værdi. En lang række sådanne remskiver, kaldet asammensat remskive, kan bevæge sig meget tunge belastninger - bare tag masser af reb!

En kasse med nyligt ankomne fysiske lærebøger, der vejer 3.000 N, løftes af en dockarbejder, der trækker med en kraft på 200 N på et remskive. Hvad er systemets mekaniske fordel?

Dette problem er virkelig så simpelt som det ser ud;F_o/ F_jeg​ = 3,000/200 = ​15.0.Pointen er at illustrere, hvad bemærkelsesværdige og kraftfulde opfindelser enkle maskiner på trods af deres antikvitet og mangel på elektronisk glitz virkelig er.

Du kan forkæle dig selv med online regnemaskiner, der giver dig mulighed for at eksperimentere med et væld af forskellige input med hensyn til håndtagstyper, relative løftestangslængder, remskivekonfigurationer og mere, så du kan få en praktisk fornemmelse af, hvordan tallene i denne slags problemer spiller. Et eksempel på et sådant praktisk værktøj kan findes i ressourcerne.