Kuidas arvutada kiilu mehaanilist eelist

Mis on noal, nööpnõelal ja peitel ühist? Kui arvate, et need kõik on teravad ja suudavad asju läbi lõigata või läbi torgata, on teil osaliselt õigus, kuid lisage nüüd nimekirja ukseava. See ei ole eriti terav ja ei saa midagi lõigata, kuid kuulub siiski, sest kõik esemed on kiilude näited.

Kiil on üks kuuest seadmest, mida teadus tunneb lihtsate masinatena. Lisaks kiilule on lihtsate masinate hulgas ka kallutatud tasapind, kruvi, ratas ja telg, rihmaratas ja kang. Mõned teadlased lisavad käiku seitsmendaks sissekandeks, kuid teised peavad käiku keerukaks masinaks, mis sisaldab nii ratast kui ka telge ja kangi.

Lihtne masin on elementaarne seade, mis korrutab sellele rakendatava jõu. See pole sisemiste komponentidega seade, mis vajab jõuallikat, näiteks automootor, kuid see pole vähem oluline ka reaalses maailmas töö tegemiseks. Lihtsad masinad on olnud olemas nii kaua kui tsivilisatsioon on eksisteerinud, ja võite isegi väita, et lihtsate masinate, nagu ratas ja kiil, avastamine tegi tsivilisatsiooni võimalikuks esimeses koht.

Lihtsa masina suurenenud jõu kompromiss on see, et peate rakendama jõudu pikema vahemaa tagant. Masina mehaaniline eelis taandub kauguse suhetele rakendades jõudu masin rakendab jõudu ja viimane peab olema väiksem, et mehaaniline eelis oleks suurem kui 1. Masina kasutamine, mille mehaaniline eelis on väiksem kui 1, oleks sama kasulik kui teleskoobi valest küljest läbi vaatamine.

Kiil sarnaneb kahepoolse kaldetasandiga, kuid seda peetakse masinaks omaette, sest seda kasutatakse alati kindlal eesmärgil, milleks on asjade poolitamine. Mida teravam on kiilu ots ja mida õrnem on selle külgede kalle, seda suurema jõu annab kiil. Sellepärast on õhukeste teradega teravad noad lõikamiseks paremad kui paksude teradega tuhmid.

Matemaatiliselt on kiilu ideaalne mehaaniline eelis (IMA) vahemaa, mille kiil tungib materjali, mida see lõhestab (D) jaotuse laiusele (W):

IMA = S / W

See on kiilu jõu arvutus, kuid te ei saa seda kasutada kiilu poolt konkreetses materjalis avaldatava jõu otseseks arvutamiseks, kuna see ei võta hõõrdumist arvesse. Juustu lõikamisel tekib rohkem hõõrdumist kui või lõikamisel ja hõõrdumine toimib kiilu liikumapaneva jõu kompenseerimiseks.

Kiilu ideaalset mehaanilist eelist saate kasutada kiilu otsas oleva jõu arvutamiseks (F_T), kui teate kiilule rakendatavat jõudu (F_A). Suhe on:

F_T = (IMA) × F_A = S / P × F_A

See suhe on siiski puudulik, kuna see ei sisalda kiilule vastanduvat hõõrdejõudu. See jõud sõltub nii kiilu kui ka selle lõhustatava materjali hõõrdetegurist, seega on see väga varieeruv. Kui kiilu ja materjali kineetilise hõõrdumise koefitsient on µ, tuleb kogu hõõrdejõud (F_f), mis on liikumise vastu, on:

F_f = uF_N

Kus F_N on normaalne jõud, mis avaldub kiilu ja materjali piiril. F_N sõltub kiilu nurgast.

Kui olete arvutanud F_f, saate määrata kiilu otsa mõjuva jõu. See on:

F_T - F_f