Was haben Messer, Drücker und Meißel gemeinsam? Wenn Sie denken, dass sie alle scharf sind und Dinge durchschneiden oder durchstoßen können, haben Sie teilweise Recht, aber jetzt fügen Sie der Liste einen Türstopper hinzu. Es ist nicht besonders scharf und kann nichts schneiden, aber es gehört trotzdem dazu, denn alle Artikel sind Beispiele für Keile.
Der Keil ist eines der sechs Geräte, die der Wissenschaft als einfache Maschinen bekannt sind. Zu den einfachen Maschinen gehören neben dem Keil die schiefe Ebene, die Schraube, das Rad und die Achse, die Riemenscheibe und der Hebel. Einige Wissenschaftler betrachten das Zahnrad als siebten Eintrag, andere betrachten das Zahnrad als eine komplexe Maschine, die sowohl das Rad und die Achse als auch den Hebel umfasst.
Was ist eine einfache Maschine?
Eine einfache Maschine ist ein rudimentäres Gerät, das die Kraft, die Sie auf sie ausüben, vervielfacht. Es ist kein Gerät mit internen Komponenten, die eine Stromquelle benötigen, wie etwa ein Automotor, aber es ist nicht weniger wichtig für die Arbeit in der realen Welt. Einfache Maschinen gibt es schon so lange, wie es die Zivilisation gibt, und man könnte sogar argumentieren, dass die Die Entdeckung einfacher Maschinen, wie des Rades und des Keils, ermöglichte die Zivilisation in den ersten Jahren Platz.
Der Kompromiss für die erhöhte Kraft, die von einer einfachen Maschine ausgeübt wird, besteht darin, dass Sie die Kraft über eine längere Strecke aufbringen müssen. Der mechanische Vorteil der Maschine läuft auf das Verhältnis des Abstands, bei dem Sie eine Kraft aufbringen, zum Abstand ab die Maschine bringt die Kraft auf, diese muss kleiner sein, damit der mechanische Vorteil größer ist als 1. Die Verwendung einer Maschine mit einem mechanischen Vorteil von weniger als 1 wäre genauso nützlich wie ein Blick durch die falsche Seite eines Teleskops.
Der mechanische Vorteil eines Keils
Ein Keil ähnelt einer zweiseitigen Neigungsebene, wird jedoch als eigenständige Maschine angesehen, da er immer für einen bestimmten Zweck verwendet wird, nämlich zum Aufspalten von Dingen. Je schärfer die Spitze des Keils und je sanfter die Seitenneigung ist, desto mehr Kraft liefert der Keil. Deshalb eignen sich scharfe Messer mit dünner Klinge besser zum Schneiden als stumpfe mit dicker Klinge.
Mathematisch ausgedrückt ist der ideale mechanische Vorteil (IMA) eines Keils das Verhältnis der Eindringtiefe des Keils in das Material, das er spaltet (D) auf die Spaltbreite (W):
IMA = D/W
Dies ist die Keilkraftberechnung, aber Sie können damit nicht direkt die Kraft berechnen, die der Keil in einem bestimmten Material ausübt, da die Reibung nicht berücksichtigt wird. Beim Schneiden von Käse tritt mehr Reibung auf als beim Schneiden von Butter, und die Reibung wirkt, um die Antriebskraft des Keils auszugleichen.
So berechnen Sie die treibende Kraft
Sie können den idealen mechanischen Vorteil eines Keils nutzen, um die Kraft auf die Spitze eines Keils zu berechnen (FT) wenn Sie die Kraft kennen, die auf den Keil ausgeübt wird (FEIN). Die Beziehung ist:
FT = (IMA) × FEIN = D/B × FEIN
Diese Beziehung ist jedoch unvollständig, da sie die dem Keil entgegenwirkende Reibungskraft nicht einschließt. Diese Kraft hängt vom Reibungskoeffizienten des Keils und des zu spaltenden Materials ab, ist also sehr variabel. Wenn der Gleitreibungskoeffizient zwischen Keil und Material µ beträgt, ist die Gesamtreibungskraft (Ff) steht dem Antrag entgegen:
Ff = µFNein
Wo FNein ist die Normalkraft, die an der Grenze von Keil und Material ausgeübt wird. FNein hängt vom Winkel des Keils ab.
Sobald Sie berechnet haben Ff, können Sie die Kraft bestimmen, die von der Keilspitze ausgeübt wird. Es ist:
FT - Ff