Keuntungan Menggunakan Tuas & Katrol

Ketika seseorang meminta Anda untuk mempertimbangkan konsep amesindi abad ke-21, ini adalah virtual mengingat gambar apa pun yang muncul di benak Anda melibatkan elektronik (misalnya, apa pun dengan komponen digital) atau setidaknya sesuatu yang ditenagai oleh listrik.

Gagal itu, jika Anda adalah penggemar, katakanlah, ekspansi barat Amerika abad ke-19 menuju Samudra Pasifik, Anda mungkin memikirkan mesin uap lokomotif yang menggerakkan kereta api pada masa itu – dan mewakili keajaiban teknik yang sesungguhnya pada saat itu.

Pada kenyataannya,mesin sederhanatelah ada selama ratusan dan dalam beberapa kasus ribuan tahun, dan tidak satu pun dari mereka memerlukan perakitan atau daya berteknologi tinggi di luar apa yang dapat disediakan oleh orang atau orang yang menggunakannya. Tujuan dari berbagai jenis mesin sederhana ini adalah sama: untuk menghasilkan tambahanmemaksadengan mengorbankanjarakdalam beberapa bentuk (dan mungkin sedikit waktu juga, tapi itu berdalih).

Jika itu terdengar seperti sihir bagimu, itu mungkin karena kamu membingungkan kekuatan dengan

Sebelum membahas bagaimana objek digunakan untuk memindahkan objek lain di dunia, ada baiknya untuk memahami terminologi dasar.

Pada abad ke-17, Isaac Newton memulai karya revolusionernya dalam fisika dan matematika, salah satu puncaknya adalah Newton memperkenalkan tiga hukum dasar geraknya. Yang kedua menyatakan bahwa netmemaksabertindak untuk mempercepat, atau mengubah kecepatan, massa:F_bersih= mSebuah​.

• Dapat ditunjukkan bahwa dalam sistem tertutup dikeseimbangan(yaitu, di mana kecepatan sesuatu yang kebetulan bergerak tidak berubah), jumlah semua gaya dan torsi (gaya yang diterapkan pada sumbu rotasi) adalah nol.

Ketika sebuah gaya menggerakkan sebuah benda melalui perpindahan d,kerjadikatakan telah dilakukan pada objek itu:

Nilai usaha adalah positif jika gaya dan perpindahan searah, dan negatif jika berlawanan arah. Usaha memiliki satuan yang sama dengan energi, meter (juga disebut joule).

Energi adalah sifat materi yang bermanifestasi dalam banyak cara, baik dalam bentuk bergerak maupun "diam", dan penting, itu dilestarikan dalam sistem tertutup dengan cara yang sama gaya dan momentum (massa kali kecepatan) adalah dalam fisika.

Jelas, manusia perlu memindahkan barang, seringkali jarak jauh. Sangat berguna untuk dapat menjaga jarak tetap tinggi namun kekuatan – yang membutuhkan tenaga manusia, yang lebih mencolok di masa pra-industri – entah bagaimana rendah. Persamaan kerja tampaknya memungkinkan untuk ini; untuk sejumlah pekerjaan tertentu, tidak menjadi masalah berapa nilai individu F dan d.

Seperti yang terjadi, ini adalah prinsip di balik mesin sederhana, meskipun seringkali tidak dengan gagasan memaksimalkan variabel jarak. Semua enam tipe klasik (thetuas,itukatrol, ituroda dan poros, itubidang miring, itubajidansekrup) digunakan untuk mengurangi gaya yang diterapkan pada biaya jarak untuk melakukan jumlah pekerjaan yang sama.

Istilah "keunggulan mekanis" mungkin lebih memikat daripada yang seharusnya, karena hampir menyiratkan bahwa sistem fisika dapat dimainkan untuk mengekstraksi lebih banyak pekerjaan tanpa masukan energi yang sesuai. (Karena pekerjaan memiliki satuan energi dan energi kekal dalam sistem tertutup, ketika pekerjaan dilakukan, itu besarnya harus sama dengan energi yang dimasukkan ke dalam gerakan apa pun yang terjadi.) Sayangnya, ini tidak terjadi, tetapikeuntungan mekanik (MA)masih menawarkan beberapa hadiah hiburan yang bagus.

Untuk saat ini, pertimbangkan dua gaya yang berlawanan F₁ dan F₂ bertindak tentang titik pivot, yang disebuttitik tumpu. Kuantitas ini,torsi, dihitung hanya sebagai besar dan arah gaya dikalikan dengan jarak L dari titik tumpu, yang dikenal sebagailengan tuas​: ​T = F​​L. Jika gaya F₁ dan F₂ harus seimbang,T₁harus sama besarnya denganT₂, atau

Ini juga bisa ditulisF₂/F₁ = L₁/L₂. Jika F₁ adalahkekuatan masukan(Anda, orang lain atau mesin atau sumber energi lain) dan F₂ adalahkekuatan keluaran(disebut juga beban atau hambatan), maka semakin tinggi rasio F2 terhadap F1, semakin tinggi keuntungan mekanis dari sistem, karena lebih banyak gaya keluaran yang dihasilkan menggunakan relatif sedikit kekuatan masukan.

RasioF₂/F₁,atau mungkin lebih disukaiF_Hai/F_saya,adalah persamaan untuk MA. Dalam masalah pendahuluan, biasanya disebut keuntungan mekanik ideal (IMA) karena efek gesekan dan hambatan udara diabaikan.

Dari informasi di atas, Anda sekarang tahu apa yang terdiri dari tuas dasar: atitik tumpu,sebuahkekuatan masukandanbeban. Terlepas dari pengaturan sederhana ini, pengungkit dalam industri manusia hadir dalam presentasi yang sangat beragam. Anda mungkin tahu bahwa jika Anda menggunakan bilah pengungkit untuk memindahkan sesuatu yang menawarkan beberapa opsi lain, Anda telah menggunakan tuas. Tetapi Anda juga menggunakan tuas saat memainkan piano atau menggunakan gunting kuku standar.

Pengungkit dapat "ditumpuk" dalam hal pengaturan fisiknya sedemikian rupa sehingga keunggulan mekanis masing-masing menghasilkan sesuatu yang lebih besar untuk sistem secara keseluruhan. Sistem ini disebut tuas majemuk (dan memiliki pasangan di dunia katrol, seperti yang akan Anda lihat).

Ini adalah aspek perkalian dari mesin sederhana, baik di dalam tuas dan katrol individu dan di antara yang berbeda dalam pengaturan majemuk, yang membuat mesin sederhana sepadan dengan sakit kepala apa pun yang mungkin terjadi kadang-kadang menyebabkan.

SEBUAHtuas orde pertamamemiliki titik tumpu antara gaya dan beban. Contohnya adalah "jungkat jungkit"di taman bermain sekolah.

SEBUAHtuas orde keduamemiliki titik tumpu di satu ujung dan gaya di ujung lainnya, dengan beban di antaranya. Itukereta sorongadalah contoh klasik.

SEBUAHtuas orde ketiga,seperti tuas orde kedua, memiliki titik tumpu di salah satu ujungnya. Tetapi dalam kasus ini, beban berada di ujung yang lain dan gaya diterapkan di suatu tempat di antaranya. Banyak peralatan olahraga, seperti tongkat baseball, mewakili kelas tuas ini.

Keuntungan mekanis tuas dapat dimanipulasi di dunia nyata dengan penempatan strategis dari tiga elemen yang diperlukan dari sistem semacam itu.

Tubuh Anda sarat dengan tuas yang berinteraksi. Salah satu contohnya adalah bisep. Otot ini menempel pada lengan bawah pada titik antara siku ("titik tumpu") dan beban apa pun yang dipikul oleh tangan. Ini membuat bisep menjadi tuas orde ketiga.

Kurang jelas mungkin, otot betis dan tendon Achilles di kaki Anda bertindak bersama sebagai pengungkit yang berbeda. Saat Anda berjalan dan berguling ke depan, bola kaki Anda bertindak sebagai tumpuan. Otot dan tendon mengerahkan kekuatan ke atas dan ke depan, melawan berat badan Anda. Ini adalah contoh tuas orde kedua, seperti gerobak dorong.

Sebuah mobil dengan massa 1.000 kg, atau 2.204 lb (berat: 9.800 N) bertengger di ujung batang baja yang sangat kaku tetapi sangat ringan, dengan titik tumpu ditempatkan 5 m dari pusat massa mobil. Seseorang dengan massa 5 kg (110 lb) mengatakan dia dapat mengimbangi berat mobil sendiri dengan berdiri di ujung batang yang lain, yang dapat diperpanjang secara horizontal selama dibutuhkan. Seberapa jauh dari titik tumpu dia harus mencapai ini?

Keseimbangan gaya mengharuskan F₁L₁ = F₂L₂, di mana F1 = (50 kg)(9,8 m/s²) = 490 N, F₂ = 9,800 N, dan L2 = 5. Jadi L1 = (9800)(5)/(490) =100 m(sedikit lebih panjang dari lapangan sepak bola).

Katrol adalah sejenis mesin sederhana yang, seperti yang lain, telah digunakan dalam berbagai bentuk selama ribuan tahun. Anda mungkin pernah melihatnya; mereka dapat diperbaiki atau dipindahkan, dan termasuk tali atau kabel yang dililitkan di sekitar piringan bundar yang berputar, yang memiliki alur atau cara lain untuk menjaga kabel agar tidak tergelincir ke samping.

Keuntungan utama katrol bukanlah meningkatkan MA, yang tetap pada nilai 1 untuk katrol sederhana; itu adalah bahwa ia dapat mengubah arah gaya yang diterapkan. Ini mungkin tidak terlalu menjadi masalah jika gravitasi tidak terlibat, tetapi karena memang demikian, hampir setiap masalah rekayasa manusia melibatkan pertempuran atau memanfaatkannya dengan cara tertentu.

Katrol dapat digunakan untuk mengangkat benda berat dengan relatif mudah dengan memungkinkan untuk menerapkan gaya dalam arah yang sama dengan gaya gravitasi – dengan menarik ke bawah. Dalam situasi seperti itu, Anda juga dapat menggunakan massa tubuh Anda sendiri untuk membantu menaikkan beban.

Sebagaimana dicatat, karena semua yang dilakukan katrol sederhana adalah mengubah arah gaya, utilitasnya di dunia nyata, meskipun cukup besar, tidak dimaksimalkan. Sebaliknya, sistem beberapa katrol dengan jari-jari yang berbeda dapat digunakan untuk melipatgandakan gaya yang diterapkan. Hal ini dilakukan melalui tindakan sederhana membuat lebih banyak tali yang diperlukan, karena F_saya turun saat d naik untuk nilai tetap W.

Ketika satu katrol dalam rantainya memiliki jari-jari yang lebih besar daripada katrol yang mengikutinya, ini menciptakan keuntungan mekanis pada pasangan ini yang sebanding dengan perbedaan nilai jari-jarinya. Susunan katrol yang panjang, disebut akatrol majemuk, dapat memindahkan beban yang sangat berat – cukup bawa banyak tali!

Sebuah peti berisi buku pelajaran fisika yang baru tiba dengan berat 3.000 N diangkat oleh seorang pekerja dok, yang menarik dengan gaya 200 N pada tali katrol. Berapakah keuntungan mekanis dari sistem tersebut?

Masalah ini sebenarnya sesederhana kelihatannya;F_Hai/F_saya​ = 3,000/200 = ​15.0.Intinya adalah untuk menggambarkan apa yang luar biasa dan kuat penemuan mesin sederhana, meskipun kuno dan kurangnya kemewahan elektronik, benar-benar.

Anda dapat memanjakan diri Anda dengan kalkulator online yang memungkinkan Anda bereksperimen dengan banyak input berbeda dalam hal jenis tuas, panjang tuas-lengan relatif, konfigurasi katrol, dan lainnya sehingga Anda dapat merasakan langsung bagaimana angka-angka dalam jenis ini masalah bermain. Contoh alat yang berguna seperti itu dapat ditemukan di Sumberdaya.