Kuinka lasketaan kiilan mekaaninen etu

Mitä veitsellä, nastalla ja taltalla on yhteistä? Jos luulet, että ne kaikki ovat teräviä ja voivat leikata tai työntää asioita läpi, olet osittain oikeassa, mutta lisää nyt luetteloon ovipysäkki. Se ei ole erityisen terävä, eikä se voi leikata mitään, mutta se kuuluu silti, koska kaikki esineet ovat esimerkkejä kiiloista.

Kiila on yksi kuudesta laitteesta, jotka tiede tunnetaan yksinkertaisina koneina. Kiilan lisäksi yksinkertaisiin koneisiin kuuluu kalteva taso, ruuvi, pyörä ja akseli, hihnapyörä ja vipu. Jotkut tutkijat sisällyttävät vaihteen seitsemänneksi, mutta toiset pitävät vaihdetta monimutkaisena koneena, joka sisältää sekä pyörän että akselin ja vivun.

Yksinkertainen kone on alkeellinen laite, joka kertoo siihen kohdistamasi voiman. Se ei ole laite, jossa on sisäisiä komponentteja, jotka edellyttävät virtalähdettä, kuten automoottoria, mutta se ei ole yhtä tärkeä myös työn tekemiselle tosielämässä. Yksinkertaiset koneet ovat olleet olemassa niin kauan kuin sivilisaatio on ollut olemassa, ja voit jopa väittää, että yksinkertaisten koneiden, kuten pyörän ja kiilan, löytäminen mahdollisti sivilisaation ensimmäisessä paikka.

Yksinkertaisen koneen lisääntyneen voiman kompromissi on, että joudut käyttämään voimaa pidemmällä etäisyydellä. Koneen mekaaninen etu pienenee voiman ja etäisyyden väliseen suhteeseen kone käyttää voimaa, ja jälkimmäisen on oltava pienempi, jotta mekaaninen etu olisi suurempi kuin 1. Koneen käyttö, jonka mekaaninen etu on alle 1, olisi yhtä hyödyllistä kuin katsella kaukoputken väärältä puolelta.

Kiila on samanlainen kuin kaksipuolinen kaltevuus, mutta sitä pidetään koneena omasta ansioistaan, koska sitä käytetään aina tiettyyn tarkoitukseen, joka on jakaa asiat toisistaan. Mitä terävämpi kiilan kärki on ja mitä kevyempi sen sivujen kaltevuus on, sitä enemmän kiila antaa voimaa. Siksi terävät, ohuilla terillä varustetut veitset ovat parempia leikkaamiseen kuin tylsät, paksulla terällä.

Matemaattisesti kiilan ihanteellinen mekaaninen etu (IMA) on sen etäisyyden suhde, jonka kiila tunkeutuu sen halkaisemaan materiaaliin (D.) jaon leveydelle (W):

IMA = S / W

Tämä on kiilan voiman laskenta, mutta et voi käyttää sitä kiilan tietyssä materiaalissa olevan voiman suoraan laskemiseen, koska se ei ota huomioon kitkaa. Löydät enemmän kitkaa leikkaamalla juustoa kuin leikkaamalla voita, ja kitka kompensoi kiilan käyttövoiman.

Kiilan ihanteellisen mekaanisen edun avulla voit laskea kiilan kärjen voiman (F_T), jos tiedät kiilaan kohdistetun voiman (F_A). Suhde on:

F_T = (IMA) × F_A = S / L × F_A

Tämä suhde on kuitenkin epätäydellinen, koska se ei sisällä kiilaa vastakkaista kitkavoimaa. Tämä voima riippuu sekä kiilan että sen jakaman materiaalin kitkakertoimesta, joten se on erittäin vaihteleva. Jos kiilan ja materiaalin välinen kineettisen kitkan kerroin on µ, koko kitkavoima (F_f) vastustaa liikettä on:

F_f = uF_N

Missä F_N on normaali voima, joka kohdistuu kiilan ja materiaalin rajaan. F_N riippuu kiilan kulmasta.

Kun olet laskenut F_f, voit määrittää kiilan kärjen aiheuttaman voiman. Se on:

F_T - F_f