Prednosti upotrebe poluga i remenica

Kad vas netko pita da razmotrite koncept amašinau 21. stoljeću to je virtualno s obzirom na to da kakva god vam slika uskoči u glavu uključuje elektroniku (npr. bilo što s digitalnim komponentama) ili barem nešto što pokreće električna energija.

Ako to ne uspijete, ako ste ljubitelj, recimo, američkog širenja Amerike na zapad prema Tihom oceanu iz 19. stoljeća, možda ćete se sjetiti parna mašina lokomotiva koja je u to doba pokretala vlakove - i predstavljala je pravo čudo tehnike u to vrijeme.

U stvarnosti,jednostavni strojevipostoje stotinama, a u nekim slučajevima i tisućama godina, a nijednom od njih nije potreban visokotehnološki sklop ili snaga izvan onoga što osoba ili ljudi koji ih koriste mogu pružiti. Cilj ovih različitih vrsta jednostavnih strojeva je isti: generirati dodatnesilapo cijenuudaljenostu nekom obliku (a možda i malo vremena, ali to je trzavica).

Ako vam to zvuči magično, to je vjerojatno zato što miješate siluenergija,povezana količina. No iako je istina da se energija ne može "stvoriti" u sustavu, osim iz drugih oblika energije, isto ne vrijedi i za silu, a jednostavni razlog za ovo i još mnogo toga čeka vas.

Prije nego što pristupite načinu na koji se predmeti koriste za pomicanje drugih predmeta po svijetu, dobro je imati osnovnu terminologiju.

U 17. stoljeću Isaac Newton započeo je svoj revolucionarni rad u fizici i matematici, čiji je vrhunac bio Newton uvodeći svoja tri temeljna zakona gibanja. Drugi od njih navodi da netosiladjeluje na ubrzavanje ili promjenu brzine masa:F_neto= ma​.

• Može se pokazati da u zatvorenom sustavu naravnoteža(tj. tamo gdje se brzina bilo čega što se dogodi da se kreće ne mijenja), zbroj svih sila i zakretnih momenta (sila primijenjenih oko osi rotacije) su nula.

Kada sila pomiče objekt kroz pomak d,raditikaže se da je učinjeno na tom objektu:

Vrijednost rada je pozitivna kada su sila i pomak u istom smjeru, a negativna kada je u drugom smjeru. Rad ima istu jedinicu kao i energija, brojač (koji se naziva i džul).

Energija je svojstvo materije koje se očituje na mnogo načina, i u pokretnom i u "mirujućem" obliku, i važno je da se u zatvorenim sustavima čuva na isti način na koji su sila i zamah (masa pomnožena s brzinom) u fizici.

Jasno je da ljudi moraju premještati stvari, često na velike udaljenosti. Korisno je moći držati udaljenost visokom, a sila - koja zahtijeva ljudsku snagu, koja je bila još blistavija u predindustrijsko doba - nekako niskom. Čini se da radna jednadžba to omogućuje; za danu količinu posla ne bi trebalo biti važno koje su pojedinačne vrijednosti F i d.

Inače, to je princip koji stoji iza jednostavnih strojeva, iako često ne s idejom maksimiziranja varijable udaljenosti. Svih šest klasičnih tipova (poluga,remenica,kotač i osovina,kosa ravnina,klinivijak) koriste se za smanjenje primijenjene sile po cijenu udaljenosti za obavljanje iste količine posla.

Izraz "mehanička prednost" možda je primamljiviji nego što bi trebao biti, jer gotovo kao da implicira da se fizički sustavi mogu kockati kako bi izvukli više posla bez odgovarajućeg unosa energije. (Budući da rad ima jedinice energije i energija se čuva u zatvorenim sustavima, kad se posao završi, njegov veličina mora biti jednaka energiji koja se ulaže u bilo koje kretanje.) Nažalost, to nije slučaj, alimehanička prednost (MA)i dalje nudi neke lijepe utješne nagrade.

Za sada uzmite u obzir dvije suprotstavljene sile F₁ i F₂ djelujući oko pivot točke, koja se naziva auporište. Ova količina,obrtni moment, izračunava se jednostavno kao veličina i smjer sile pomnožene s udaljenošću L od uporišta, poznatom kaopoluga poluge​: ​T = F​​L. Ako sile F₁ i F₂ biti u ravnoteži,T₁mora biti jednaka veličiniT₂, ili

Ovo se također može napisatiF₂/ F₁ = L₁/ L₂. Ako je F₁ jeulazna sila(vi, netko drugi ili drugi stroj ili izvor energije) i F₂ jeizlazna sila(također se naziva opterećenje ili otpor), tada je što je veći omjer F2 prema F1, to je veći mehanička prednost sustava, jer se više izlazne sile stvara pomoću relativno malo ulazna sila.

OmjerF₂/ F₁,ili možda poželjnoF_o/ F_i,je jednadžba za MA. U uvodnim se problemima obično naziva idealnom mehaničkom prednošću (IMA) jer se zanemaruju učinci trenja i zračnog otpora.

Iz gornjih podataka sada znate što se sastoji od osnovne poluge: auporište,anulazna silai aopterećenje. Unatoč takvom rasporedu golih kostiju, poluge u ljudskoj industriji dolaze u izuzetno raznolikim prezentacijama. Vjerojatno znate da ako za pomicanje nečega što nudi nekoliko drugih mogućnosti koristite pomičnu letvu, koristili ste polugu. Ali koristili ste i polugu kad ste svirali klavir ili ste koristili standardni set škara za nokte.

Poluge se mogu "naslagati" u smislu njihovog fizičkog rasporeda na takav način da njihove pojedinačne mehaničke prednosti sažmu u nešto još veće za sustav u cjelini. Taj se sustav naziva složena poluga (i kao što ćete vidjeti, ima partnera u remenici).

To je ovaj multiplikativni aspekt jednostavnih strojeva, kako unutar pojedinačnih poluga i remenica, tako i između njih različite u složenom aranžmanu, zbog čega jednostavni strojevi vrijede koliko god glavobolje mogli povremeno uzrok.

Apoluga prvog redaima uporište između sile i tereta. Primjer je "vidjeti-vidjeti"na školskom igralištu.

Apoluga drugog redaima uporište na jednom kraju i silu na drugom, s opterećenjem između. Thetačkeje klasičan primjer.

Apoluga trećeg reda,poput poluge drugog reda, ima uporište na jednom kraju. Ali u ovom slučaju, opterećenje je na drugom kraju i sila je primijenjena negdje između. Mnogi sportski uređaji, poput bejzbol palica, predstavljaju ovu klasu poluge.

Mehaničkom prednošću poluga može se manipulirati u stvarnom svijetu strateškim postavljanjem tri potrebna elementa bilo kojeg takvog sustava.

Vaše je tijelo opterećeno međusobno povezanim polugama. Jedan od primjera je bicep. Ovaj se mišić pričvršćuje na podlakticu u točki između lakta ("uporišta") i bilo kojeg opterećenja koje snosi ruka. To bicep čini polugom trećeg reda.

Manje samo po sebi razumljivo, teleći mišić i Ahilova tetiva u vašem stopalu djeluju zajedno kao druga vrsta poluge. Dok hodate i kotrljate se naprijed, lopta stopala djeluje kao uporište. Mišić i tetive djeluju prema gore i prema naprijed, djelujući protiv vaše tjelesne težine. Ovo je primjer poluge drugog reda, poput kolica.

Automobil mase 1.000 kg ili 2.204 lb (težina: 9.800 N) nalazi se na kraju vrlo krute, ali vrlo lagane čelične šipke, s uporištem postavljenim 5 m od središta mase automobila. Osoba mase 5 kg (110 lb) kaže da sama može uravnotežiti težinu automobila stojeći na drugom kraju šipke, koji se može vodoravno produžiti onoliko dugo koliko jest potrebno. Koliko daleko mora biti od uporišta da bi to postigla?

Ravnoteža sila zahtijeva da F₁L₁ = F₂L₂, gdje je F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N, a L2 = 5. Dakle, L1 = (9800) (5) / (490) =100 m(malo duže od nogometnog igrališta).

Kolotur je vrsta jednostavnog stroja koji se, poput ostalih, koristi u raznim oblicima već tisućama godina. Vjerojatno ste ih vidjeli; mogu biti fiksne ili pomične, a uključuju konop ili kabel namotan oko rotirajućeg kružnog diska, koji ima žlijeb ili druga sredstva za sprečavanje bočnog klizanja kabela.

Glavna prednost remenice nije u tome što pojačava MA, koja ostaje na vrijednosti 1 za jednostavne remenice; to je da može promijeniti smjer primijenjene sile. To možda ne bi imalo puno značaja da gravitacija nije u mješavini, ali zato što jest, gotovo svaki ljudski inženjerski problem uključuje borbu ili njegovo iskorištavanje na neki način.

Kolotur se može koristiti za podizanje teških predmeta s relativnom lakoćom omogućavanjem primjene sile u istom smjeru djelovanja gravitacije - povlačenjem prema dolje. U takvim situacijama možete koristiti i vlastitu tjelesnu masu kako biste povećali opterećenje.

Kao što je napomenuto, budući da sve što jednostavna remenica mijenja je smjer sile, njezina korisnost u stvarnom svijetu, iako znatna, nije maksimalizirana. Umjesto toga, za množenje primijenjenih sila mogu se koristiti sustavi više remenica s različitim radijusima. To se postiže jednostavnim činom stvaranja više užeta, jer F_i pada kako d raste za fiksnu vrijednost W.

Kada jedna remenica u lancu od njih ima veći radijus od one koja je slijedi, to stvara mehaničku prednost u ovom paru proporcionalnu razlici u vrijednosti radijusa. Dug niz takvih remenica, nazvan asložena remenica, može premještati vrlo teške terete - samo ponesite puno užeta!

Sanduk nedavno pristiglih udžbenika fizike težak 3.000 N podiže pristanište koji vuče snagom od 200 N na užetu remenice. Koja je mehanička prednost sustava?

Ovaj je problem doista jednostavan koliko izgleda;F_o/ F_i​ = 3,000/200 = ​15.0.Poanta je ilustrirati koji su uistinu izvanredni i moćni izumi jednostavni strojevi, unatoč svojoj davnosti i nedostatku elektroničkog blještavila.

Možete se počastiti mrežnim kalkulatorima koji vam omogućuju eksperimentiranje s bogatstvom različitih ulaza u smislu vrsta poluga, relativne duljine kraka poluge, konfiguracije remenice i još više tako da možete steći praktični osjećaj kako brojevi u ovim vrstama problemi igraju. Primjer tako korisnog alata možete pronaći u Resursima.