레버 및 풀리 사용의 장점

누군가가 당신에게기계21 세기에는 어떤 이미지가 당신의 마음으로 도약하든 전자 (예: 디지털 구성 요소가있는 모든 것) 또는 적어도 전기로 구동되는 무언가가 포함된다는 점을 감안할 때 가상입니다.

그렇지 않다면, 예를 들어 19 세기 미국 서부로의 태평양 확장의 팬이라면 그 당시 열차에 동력을 공급했던 기관차 증기 엔진은 당시 엔지니어링의 진정한 경이로움을 나타 냈습니다.

실제로간단한 기계수백 년, 어떤 경우에는 수천 년 동안 존재 해 왔으며, 그 어느 누구도이를 사용하는 사람이나 사람들이 공급할 수있는 것 외에 첨단 조립이나 전력이 필요하지 않습니다. 이러한 다양한 유형의 단순 기계의 목적은 동일합니다.힘의 희생거리어떤 형태로든 (그리고 어쩌면 약간의 시간도 있지만, 그것은 혼란 스럽습니다).

마법처럼 들리면 아마도 힘을에너지,관련 수량. 그러나 다른 형태의 에너지를 제외하고는 시스템에서 에너지가 "창조"될 수 없다는 것은 사실이지만, 힘의 경우도 마찬가지이며, 이것에 대한 단순한 이유 이상이 여러분을 기다리고 있습니다.

오브젝트가 세계에서 다른 오브젝트를 이동하는 데 사용되는 방법을 다루기 전에 기본 용어를 다루는 것이 좋습니다.

17 세기에 Isaac Newton은 물리학과 수학 분야에서 혁명적 인 작업을 시작했으며 그 중 하나는 Newton이 그의 세 가지 기본 운동 법칙을 도입 한 것입니다. 두 번째는 그물이힘질량을 가속하거나 속도를 변경하는 역할을합니다.에프_그물= mㅏ​.

• 닫힌 시스템에서평형(즉, 움직이는 모든 것의 속도가 변하지 않는 경우) 모든 힘과 토크 (회전 축 주위에 적용된 힘)의 합은 0입니다.

힘이 변위 d를 통해 물체를 움직일 때,작업해당 객체에 대해 수행되었다고합니다.

일의 가치는 힘과 변위가 같은 방향 일 때 양수이고 다른 방향 일 때 음수입니다. 작업은 에너지와 동일한 단위 인 미터 (줄이라고도 함)를 사용합니다.

에너지는 움직이는 형태와 "휴식"형태 모두에서 다양한 방식으로 나타나는 물질의 속성입니다. 중요한 것은 힘과 운동량 (질량 x 속도)이 같은 방식으로 폐쇄 시스템에서 보존된다는 것입니다. 물리학.

분명히 인간은 물건을 먼 거리로 움직여야합니다. 산업화 이전 시대에 더욱 눈부신 인간의 힘을 필요로하는 힘을 필요로하면서 거리를 높게 유지하는 것이 유용합니다. 작업 방정식은이를 허용하는 것으로 보입니다. 주어진 작업량에 대해 F와 d의 개별 값이 무엇인지는 중요하지 않습니다.

실제로 이것은 거리 변수를 최대화하려는 아이디어가 아닌 단순 기계의 원리입니다. 6 가지 클래식 유형 (지렛대,그만큼고패,휠 앤 액슬,경사면,쐐기그리고나사)는 동일한 양의 작업을 수행하기 위해 거리를 희생하면서 적용된 힘을 줄이는 데 사용됩니다.

"기계적 이점"이라는 용어는 아마도 그에 상응하는 에너지 입력없이 더 많은 작업을 추출하기 위해 물리학 시스템이 게임을 할 수 있음을 암시하는 것처럼 보일 수 있기 때문에 예상보다 더 매력적일 것입니다. (작업에는 에너지 단위가 있고 에너지는 폐쇄 된 시스템에서 보존되기 때문에 작업이 완료되면 크기는 어떤 움직임이 발생하든간에 투입되는 에너지와 같아야합니다.) 슬프게도 이것은 사실이 아닙니다.기계적 이점 (MA)여전히 훌륭한 위로를 제공합니다.

지금은 두 가지 반대 세력 F₁ 그리고 F₂ 피벗 포인트에 대해 행동하는지점. 이 수량,토크는 힘의 크기와 방향에 지지점으로부터의 거리 L을 곱한 것으로 간단히 계산됩니다.레버 암​: ​T = F​​엘. 힘 F₁ 그리고 F₂ 균형을 유지해야합니다.티₁크기가 같아야합니다.티₂, 또는

이것은 또한 쓸 수 있습니다에프₂/에프₁ = L₁/엘₂. F₁ 이다입력 힘(귀하, 다른 사람 또는 다른 기계 또는 에너지 원) 및 F₂ 이다출력 력(부하 또는 저항이라고도 함) F2 대 F1의 비율이 높을수록 상대적으로 적은 양을 사용하여 더 많은 출력 력이 생성되기 때문에 시스템의 기계적 이점 입력 힘.

비율에프₂/에프₁,또는 아마도 바람직하게에프_영형/에프_나는,MA에 대한 방정식입니다. 입문 문제에서는 마찰과 공기 저항의 영향이 무시되기 때문에 일반적으로 이상적인 기계적 이점 (IMA)이라고합니다.

위의 정보를 통해 이제 기본 레버의 구성 요소를 알 수 있습니다.지점,an입력 힘그리고하중. 이러한 기본적인 배열에도 불구하고 인간 산업의 레버는 놀랍도록 다양한 프레젠테이션으로 제공됩니다. 몇 가지 다른 옵션을 제공하는 무언가를 이동하기 위해 프라이 바를 사용한다면 레버를 사용한 것입니다. 그러나 피아노를 연주하거나 표준 손톱깎이 세트를 사용할 때도 레버를 사용했습니다.

레버는 물리적 배열 측면에서 "스택"되어 개별적인 기계적 이점이 전체 시스템에 대해 훨씬 더 큰 것으로 요약 될 수 있습니다. 이 시스템을 복합 레버라고합니다 (보시 겠지만 풀리 세계에서 파트너가 있습니다).

이것은 개별 레버와 풀리 내에서 그리고 그 사이에서 단순한 기계의 곱셈 적 측면입니다. 복합 배열의 다른 것들은 단순한 기계가 어떤 골치 아픈 일이든 가치있게 만듭니다. 때때로 원인.

ㅏ1 차 레버힘과 하중 사이에 지렛대가 있습니다. 예는 "시소"학교 운동장에서.

ㅏ2 차 레버한쪽 끝에는지지 점이 있고 다른 쪽 끝에는 힘이 있으며 그 사이에 하중이 있습니다. 그만큼일륜차고전적인 예입니다.

ㅏ3 차 레버,2 차 레버처럼 한쪽 끝에 받침이 있습니다. 그러나이 경우 하중은 다른 쪽 끝에 있고 힘은 그 사이 어딘가에 적용됩니다. 야구 방망이와 같은 많은 스포츠 도구가 이러한 종류의 레버를 나타냅니다.

레버의 기계적 이점은 그러한 시스템의 세 가지 필수 요소를 전략적으로 배치하여 현실 세계에서 조작 할 수 있습니다.

신체는 상호 작용하는 레버로 가득 차 있습니다. 한 가지 예는 이두박근입니다. 이 근육은 팔꿈치 ( "지점")와 손이 부담하는 모든 하중 사이의 한 지점에서 팔뚝에 부착됩니다. 이것은 이두근을 3 차 레버로 만듭니다.

자명 하진 않지만, 발의 종아리 근육과 아킬레스 건은 서로 다른 종류의 지렛대 역할을합니다. 걷거나 앞으로 구르면 발의 볼이 받침 역할을합니다. 근육과 힘줄은 위아래로 힘을 가하여 체중을 상쇄합니다. 이것은 수레와 같은 2 차 레버의 예입니다.

무게가 1,000kg 또는 2,204lb (무게: 9,800N) 인 자동차는 매우 단단하지만 매우 가벼운 강철 막대 끝에 자리 잡고 있으며, 받침은 자동차의 질량 중심에서 5m 떨어져 있습니다. 5kg (110lb)의 질량을 가진 사람은 혼자서 차의 무게를 균형을 맞출 수 있다고 말합니다. 막대의 다른 쪽 끝에 서서 수평으로 오랫동안 확장 할 수 있습니다. 필요합니다. 이를 달성하려면 그녀가 지지점에서 얼마나 떨어져 있어야합니까?

힘의 균형은 F₁엘₁ = F₂엘₂, 여기서 F1 = (50kg) (9.8m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N, L2 = 5. 따라서 L1 = (9800) (5) / (490) =100m(축구장보다 조금 더 깁니다).

도르래는 다른 것과 마찬가지로 수천 년 동안 다양한 형태로 사용되어 온 일종의 단순한 기계입니다. 아마 본 적이있을 것입니다. 그것들은 고정되거나 움직일 수 있으며, 회전하는 원형 디스크 주위에 감긴 로프 또는 케이블을 포함하는데, 여기에는 홈 또는 케이블이 옆으로 미끄러지지 않도록하는 다른 수단이 있습니다.

풀리의 가장 큰 장점은 MA를 높이는 것이 아니라 단순한 풀리의 경우 1 값으로 유지됩니다. 적용된 힘의 방향을 바꿀 수 있다는 것입니다. 중력이 혼합되어 있지 않다면 이것은 그다지 중요하지 않을 수 있지만 사실상 모든 인간 공학 문제는 어떤 식 으로든 그것을 싸우거나 활용하는 것과 관련이 있습니다.

풀리를 사용하면 중력이 작용하는 방향과 동일한 방향으로 힘을 가할 수 있으므로 상대적으로 쉽게 무거운 물체를 들어 올릴 수 있습니다. 이러한 상황에서 자신의 체질량을 사용하여 부하를 높일 수도 있습니다.

언급했듯이 단순한 풀리는 힘의 방향을 변경하는 것이므로 실제 세계에서의 유용성은 상당하지만 최대화되지는 않습니다. 대신 반경이 다른 여러 풀리 시스템을 사용하여 적용된 힘을 곱할 수 있습니다. 이것은 더 많은 로프를 필요로하는 간단한 행동을 통해 이루어집니다._나는 d가 W의 고정 값에 대해 상승함에 따라 하락합니다.

체인에서 하나의 풀리가 그 뒤에 오는 풀리보다 더 큰 반지름을 가질 때, 이것은 반지름 값의 차이에 비례하는이 쌍에서 기계적 이점을 생성합니다. 이러한 풀리의 긴 배열,복합 풀리, 매우 무거운 짐을 움직일 수 있습니다 – 로프를 많이 가져 오십시오!

도르래 로프에서 200N의 힘으로 당기는 부두 작업자가 최근 도착한 3,000N 무게의 물리학 교과서 상자를 들어 올립니다. 시스템의 기계적 이점은 무엇입니까?

이 문제는보기만큼 간단합니다.에프_영형/에프_나는​ = 3,000/200 = ​15.0.요점은 단순 기계가 오래되고 전자 기술이 부족함에도 불구하고 놀랍고 강력한 발명품이 실제로 무엇인지 설명하는 것입니다.

레버 유형과 관련하여 다양한 입력을 실험 할 수있는 온라인 계산기를 사용할 수 있습니다. 상대적인 레버 암 길이, 도르래 구성 등을 통해 이러한 종류의 숫자에 대해 직접 느낄 수 있습니다. 문제가 재생됩니다. 이러한 편리한 도구의 예는 리소스에서 찾을 수 있습니다.