Gotovo svi znaju što je apolugaje, iako bi se većina ljudi mogla iznenaditi kad sazna koliko je širok rasponjednostavni strojevikvalificirati se kao takvi.
Labavo govoreći, poluga je alat koji se koristi za "odvajanje" nečega na način na koji nijedan drugi nemotorizirani aparat ne može upravljati; u svakodnevnom jeziku kaže se da netko tko je uspio steći jedinstveni oblik moći nad situacijom ima "polugu".
Učenje o polugama i načinu primjene jednadžbi koje se odnose na njihovu upotrebu jedan je od najatraktivnijih procesa koji uvodna fizika nudi. Uključuje malo o sili i zakretnom momentu, uvodi kontraintuitivan, ali presudan konceptumnožavanje sila, i upućuje vas na temeljne koncepte poputraditii oblici energije u pogodbi.
Jedna od glavnih prednosti poluga je ta što se lako mogu "složiti" na takav način da stvore značajnumehanička prednost. Izračun složenih poluga ilustrira koliko moćan, ali skroman može biti dobro dizajnirani "lanac" jednostavnih strojeva.
Osnove Newtonove fizike
Isaac Newton
Objekti se opiru promjenama brzine na način proporcionalan svojoj masi (zakon tromosti, Newtonov prvi zakon);
Količina koja se zovesiladjeluje na mase kako bi promijenio brzinu, proces tzvubrzanje (F = ma, Newtonov drugi zakon);
Količina koja se zovezamah, umnožak mase i brzine, vrlo je koristan u proračunima jer se čuva (tj. njegova se ukupna količina ne mijenja) u zatvorenim fizičkim sustavima. Ukupnoenergijeje također konzervirano.
Kombinacija niza elemenata ovih odnosa rezultira konceptomraditi, koji jesila pomnožena kroz daljinu:
W = Fx
Kroz ovu leću započinje proučavanje poluga.
Pregled jednostavnih strojeva
Poluge pripadaju klasi uređaja poznatih kaojednostavni strojevi, što također uključujezupčanici, remenice, nagnute ravnine, klinoviivijci. (Sama riječ "stroj" potječe od grčke riječi koja znači "pomoći u olakšavanju").
Svi jednostavni strojevi dijele jednu osobinu: Množe silu na štetu udaljenosti (a dodana udaljenost često je pametno skrivena). Zakon očuvanja energije potvrđuje da niti jedan sustav ne može "stvoriti" rad ni iz čega, ali čak i ako je vrijednost W ograničena, druge dvije varijable u jednadžbi nisu.
Varijabla od interesa za jednostavni stroj je njegovamehanička prednost, što je samo omjer izlazne sile i ulazne sile:
MA = \ frac {F_o} {F_i}
Ta se količina često izražava kaoidealna mehanička prednost, ili IMA, što je mehanička prednost koju bi stroj uživao da nisu prisutne sile trenja.
Osnove poluge
Jednostavna poluga je čvrsta šipka neke vrste koja se slobodno može okretati oko fiksne točke koja se naziva auporišteako se na polugu primijene sile. Uporište se može nalaziti na bilo kojoj udaljenosti duž duljine poluge. Ako poluga doživljava sile u obliku zakretnih momenta, to su sile koje djeluju oko osi od rotacije, poluga se neće pomicati pod uvjetom da je zbroj sila (obrtnih momenata) koje djeluju na šipku jednak nuli.
Moment je umnožak primijenjene sile plus udaljenost od uporišta. Dakle, sustav koji se sastoji od jedne poluge koja djeluje na dvije sileF1iF2na udaljenostima x1 i x2 iz uporišta je u ravnoteži kadF1x1 = F2x2.
- Umnožak F i x naziva se atrenutak, što je bilo koja sila koja tjera objekt da se na neki način počne okretati.
Između ostalih valjanih tumačenja, ovaj odnos znači da jaka sila koja djeluje na kratkoj udaljenosti može biti precizna uravnotežen (ne pretpostavljajući gubitak energije uslijed trenja) slabijom silom koja djeluje na većoj udaljenosti i proporcionalno način.
Moment i trenutci u fizici
Udaljenost od uporišta do točke na kojoj se sila primjenjuje na polugu poznata je kaopoluga poluge,ilitrenutak ruka. (U tim je jednadžbama izraženo pomoću "x" za vizualnu jednostavnost; drugi izvori mogu koristiti malo slovo "l.")
Obrtni momenti ne moraju djelovati pod pravim kutom prema polugama, iako je za bilo koju primijenjenu silu pravo (to jest, 90 °) kut daje maksimalnu količinu sile jer, jednostavno rečeno, greši 90 ° = 1.
Da bi objekt bio u ravnoteži, sume sila i zakretnih momenta koji djeluju na taj objekt moraju biti jednake nuli. To znači da se svi zakretni momenti u smjeru kazaljke na satu moraju točno uravnotežiti zakretnim momentima u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Terminologija i vrste poluga
Obično je ideja primjene sile na polugu pomicanje nečega "iskorištavanjem" osiguranog dvosmjernog kompromisa između sile i ručice poluge. Sila kojoj se pokušavate suprotstaviti naziva sesila otpora, a vaša vlastita ulazna sila poznata je kaosila napora. Tako o izlaznoj sili možete razmišljati kao o dostizanju vrijednosti sile otpora u trenutku kad se objekt počne okretati (tj. Kada uvjeti ravnoteže više nisu zadovoljeni.
Zahvaljujući odnosima između rada, sile i udaljenosti, MA se to može izraziti kao
MA + \ frac {F_r} {F_e} = \ frac {d_e} {d_r}
Gdje de je udaljenost koju pomiče krak (rotacijski gledano) i dr je udaljenost koju pomiče ruka poluge otpora.
Ulaze polugetri vrste.
- Prva narudžba:Uporište je između napora i otpora (primjer: "vidi-vidi").
- Druga narudžba: Napor i otpor nalaze se na istoj strani uporišta, ali usmjereni su u suprotnim smjerovima, napori dalje od uporišta (primjer: kolica).
- Treći poredak:Napor i otpor nalaze se na istoj strani uporišta, ali usmjereni su u suprotnim smjerovima, s opterećenjem dalje od uporišta (primjer: klasični katapult).
Primjeri složene poluge
Asložena polugaje niz poluga koje djeluju zajedno, tako da izlazna sila jedne poluge postaje ulazna sila sljedeće poluge, što u konačnici omogućuje ogroman stupanj umnožavanja sile.
Klavirske tipke predstavljaju jedan primjer sjajnih rezultata koji mogu proizaći iz građevinskih strojeva koji sadrže složene poluge. Jednostavniji primjer za vizualizaciju je tipičan set škara za nokte. Ovim primjenjujete silu na ručku koja spaja dva komada metala zahvaljujući vijku. Ovim vijkom ručka je spojena s gornjim dijelom metala, stvarajući jedno uporište, a dva dijela spojena je drugim uporištem na suprotnom kraju.
Imajte na umu da se kad primijenite silu na ručku pomiče mnogo dalje (ako je samo centimetar ili nešto više) od dva oštra kraja krajeva, koja se trebaju pomaknuti samo nekoliko milimetara da bi se zatvorila i učinila svoje posao. Sila koju primjenjujete lako se množi zahvaljujući dr biti tako malen.
Proračun sile poluge poluge
Sila od 50 njutna (N) primjenjuje se u smjeru kazaljke na satu na udaljenosti od 4 metra (m) od uporišta. Koju silu treba primijeniti na udaljenosti od 100 m s druge strane uporišta da se uravnoteži ovo opterećenje?
Ovdje dodijelite varijable i postavite jednostavan omjer. F1= 50 N, x1 = 4 m i x2 = 100 m.
Znate da je F1x1 = F2x2, tako
x_2 = \ frac {f_1x_1} {F_2} = \ frac {50 \ puta 4} {100} = 2 \ text {N}
Stoga je potrebna samo mala sila da se nadoknadi otporno opterećenje, sve dok ste spremni odstupiti dužinu nogometnog igrališta da biste to učinili!