Svirčių ir skriemulių naudojimo pranašumai

Kai kas nors paprašys apsvarstyti a sąvokąmašinaXXI amžiuje tai yra virtualus dalykas, turint omenyje tai, kad bet koks vaizdas, kuris šokinėja į jūsų mintis, apima elektroniką (pvz., bet ką, kas turi skaitmeninius komponentus) ar bent ką nors, kas maitinama elektra.

Jei to nepadarysite, jei esate, tarkime, XIX amžiaus Amerikos plėtimosi į vakarus link Ramiojo vandenyno gerbėjas, galite pagalvoti apie tomis dienomis traukinius varęs lokomotyvo garo variklis - tuo metu jis buvo tikras inžinerijos stebuklas.

Realybėje,paprastos mašinosegzistavo šimtus, o kai kuriais atvejais ir tūkstančius metų, ir nė vienam iš jų nereikia aukštųjų technologijų surinkimo ar galios, išskyrus tai, ką gali tiekti juos naudojantys žmonės ar žmonės. Šių įvairių tipų paprastų mašinų tikslas yra tas pats: generuoti papildomusjėgajo sąskaitaatstumastam tikra forma (o gal ir truputį laiko, bet tai kvepia).

Jei tai jums skamba kaip magija, tikriausiai dėl to, kad jūs painiojate jėgąenergija,susijęs kiekis. Tačiau tiesa, kad energija negali būti „sukurta“ sistemoje, išskyrus iš kitų energijos rūšių, tačiau tai nėra pasakytina ir apie jėgą, o jūsų ir jūsų laukia paprasta priežastis.

Prieš sprendžiant, kaip objektai naudojami judant kitiems objektams pasaulyje, gerai turėti pagrindinės terminologijos rankeną.

XVII amžiuje Isaacas Newtonas pradėjo savo revoliucinį darbą fizikos ir matematikos srityse, kurių viena kulminacija buvo Newtonas, įvedęs tris pagrindinius savo judėjimo dėsnius. Antrasis iš jų teigia, kad tinklasjėgaveikia pagreitindamas mases arba pakeisdamas jų greitį:F_neto= ma​.

• Galima parodyti, kad uždaroje sistemojepusiausvyra(t. y. ten, kur bet ko, kas vyksta, greitis nesikeičia), visų jėgų ir sukimo momentų (jėgų, veikiamų apie sukimosi ašį) suma yra lygi nuliui.

Kai jėga perkelia objektą per poslinkį d,darbassakoma, kad buvo padaryta tame objekte:

Darbo vertė yra teigiama, kai jėga ir poslinkis yra ta pačia kryptimi, ir neigiama, kai ji yra kita kryptimi. Darbas turi tą patį vienetą, kaip ir energija, skaitiklį (dar vadinamą džauliu).

Energija yra materijos savybė, kuri pasireiškia įvairiais būdais, tiek judančiomis, tiek "poilsio" formomis, ir Svarbu tai, kad ji uždarose sistemose yra išsaugota taip, kaip jėga ir impulsas (masė ir greitis) fizikoje.

Aišku, žmonėms reikia perkelti daiktus, dažnai didelius atstumus. Naudinga sugebėti išlaikyti aukštą atstumą, tačiau jėgą, kuriai reikalinga žmogaus jėga, kuri ikipramonės laikais buvo dar ryškesnė - kažkaip mažai. Atrodo, kad tai leidžia darbo lygtis; tam tikram darbo kiekiui neturėtų būti svarbu, kokios yra individualios F ir d reikšmės.

Kaip atsitinka, tai yra paprastų mašinų principas, nors dažnai ne su mintimi maksimaliai padidinti atstumo kintamąjį. Visi šeši klasikiniai tipai (svirtis,skriemulys,ratų ir ašies,pasvirusi plokštuma,pleištasirprisukti) yra naudojami norint sumažinti tą pačią darbo jėgą taikant atstumą.

Terminas „mechaninis pranašumas“ galbūt labiau vilioja, nei turėtų būti, nes atrodo, kad tai beveik reiškia, jog fizikos sistemomis galima žaisti norint išgauti daugiau darbo be atitinkamo energijos įvedimo. (Kadangi darbas turi energijos vienetus ir energija yra išsaugoma uždarose sistemose, kai darbas atliekamas, jo dydis turi būti lygus energijai, įdėtai į bet kokį judesį.) Deja, taip nėra, betmechaninis pranašumas (MA)vis dar siūlo puikių paguodos prizų.

Kol kas apsvarstykite dvi priešingas jėgas F₁ ir F₂ veikiantis apie sukamą tašką, vadinamas aatramos taškas. Šis kiekis,sukimo momentas, apskaičiuojamas tiesiog kaip jėgos dydis ir kryptis, padauginta iš atstumo L nuo atramos taško, žinomo kaipsvirtis​: ​T = F​​L. Jei jėgos F₁ ir F₂ turi būti pusiausvyroje,T₁turi būti lygus dydžiuiT₂arba

Tai taip pat galima parašytiF₂/ F₁ = L₁/ L₂. Jei F₁ yraįvesties jėga(jūs, kažkas kitas ar kita mašina ar energijos šaltinis) ir F₂ yraišėjimo jėga(dar vadinamas apkrova ar pasipriešinimu), tada kuo didesnis F2 ir F1 santykis, tuo didesnis mechaninis sistemos pranašumas, nes naudojant didesnę išėjimo jėgą sukuriama palyginti nedaug įvesties jėga.

SantykisF₂/ F₁,o gal geriausiaF_o/ F_i,yra MA lygtis. Esant įžanginėms problemoms, tai paprastai vadinama idealiu mechaniniu pranašumu (IMA), nes trinties ir oro pasipriešinimo poveikis ignoruojamas.

Iš pirmiau pateiktos informacijos dabar žinote, iš ko susideda pagrindinis svertas: aatramos taškas,anįvesties jėgair aapkrova. Nepaisant šio plikų kaulų išdėstymo, žmonių pramonės svertai yra nepaprastai įvairūs. Jūs tikriausiai žinote, kad jei naudojate įžvalgų juostą norėdami perkelti tai, kas siūlo keletą kitų galimybių, naudojote svirtį. Bet jūs taip pat naudojote svirtį, kai grojote pianinu arba naudojote standartinį nagų žirklių rinkinį.

Svirtys gali būti „sukrautos“ pagal jų fizinį išsidėstymą taip, kad jų individualūs mechaniniai pranašumai būtų dar didesni visai sistemai. Ši sistema vadinama sudėtine svirtimi (ir, kaip pamatysite, skriemulių pasaulyje turi partnerį).

Tai yra daugybinis paprastų mašinų aspektas tiek atskirose svirtyse, skriemuliuose, tiek tarp jų skirtingos sudėtiniame išdėstyme, todėl paprastos mašinos verčia bet kokį galvos skausmą kartais sukelti.

Apirmos eilės svirtisturi atramos tašką tarp jėgos ir apkrovos. Pavyzdys yra „pamačiau„mokyklos žaidimų aikštelėje.

Aantros eilės svirtisviename gale yra atramos taškas, o kitame - jėga, o apkrova yra tarp jų. Thevežimėlisyra klasikinis pavyzdys.

Atrečios eilės svirtis,kaip ir antros eilės svirtis, turi atramos tašką viename gale. Bet šiuo atveju apkrova yra kitame gale, o jėga taikoma kažkur tarp jų. Daugelis sportinių padargų, pavyzdžiui, beisbolo lazdos, atstovauja šiai svirties klasei.

Mechaniniu svirčių pranašumu galima manipuliuoti realiame pasaulyje, strategiškai išdėstant tris būtinus bet kurios tokios sistemos elementus.

Jūsų kūnas apkrautas sąveikaujančiomis svirtimis. Vienas iš pavyzdžių yra bicepsas. Šis raumuo pritvirtinamas prie dilbio taške tarp alkūnės („atramos taško“) ir bet kokio krūvio, kurį tenka ranka. Dėl to bicepsas tampa trečios eilės svirtimi.

Mažiau savaime suprantama, blauzdos raumuo ir Achilo sausgyslė jūsų pėdoje veikia kartu kaip kitokia svirtis. Einant ir riedant į priekį, jūsų kojos rutulys veikia kaip atramos taškas. Raumenys ir sausgyslės daro jėgą aukštyn ir į priekį, atsverdami jūsų kūno svorį. Tai yra antros eilės svirties, pavyzdžiui, vežimėlio, pavyzdys.

1 000 kg arba 2204 svarų (svoris: 9 800 N) masės automobilis yra ant labai standžios, bet labai lengvos plieninės strypo galo, o atramos taškas yra 5 m nuo automobilio masės centro. 5 kg (110 svarų) masės asmuo sako, kad ji pati gali atsverti automobilio svorį atsistojus ant kito meškerės galo, kurį horizontaliai galima ištiesti tiek, kiek yra reikia. Kaip toli nuo atramos taško ji turi būti, kad tai pasiektų?

Jėgų pusiausvyra reikalauja, kad F₁L₁ = F₂L₂kur F1 = (50 kg) (9,8 m / s²= 490 N, F₂ = 9,800 N, o L2 = 5. Taigi L1 = (9800) (5) / (490) =100 m(šiek tiek ilgiau nei futbolo aikštė).

Skriemulys yra tam tikra paprasta mašina, kuri, kaip ir kitos, įvairiomis formomis buvo naudojama tūkstančius metų. Jūs tikriausiai juos matėte; jie gali būti pritvirtinti arba kilnojami ir apimti lyną ar trosą, suvyniotą aplink sukamą apskritą diską, kuriame yra griovelis ar kitos priemonės, leidžiančios kabeliui neslysti į šoną.

Pagrindinis skriemulio pranašumas nėra tas, kad jis padidina MA, kuris paprastiems skriemuliams išlieka 1 vertės; tai gali pakeisti veikiamos jėgos kryptį. Tai gali būti nesvarbi, jei gravitacijos nebūtų mišinyje, tačiau kadangi taip yra, praktiškai kiekviena žmogaus inžinerijos problema yra susijusi su kova ar tam tikru būdu.

Skriemulį galima palyginti sunkiai pakelti sunkiems daiktams, suteikiant galimybę jėgą taikyti ta pačia kryptimi, kaip veikia gravitacija - traukiant žemyn. Tokiose situacijose taip pat galite naudoti savo kūno masę, kad padėtumėte pakelti krūvį.

Kaip pažymėta, kadangi viskas, ką daro paprastas skriemulys, yra jėgos krypties pakeitimas, jos naudingumas realiame pasaulyje, nors ir didelis, nėra maksimalus. Vietoj to, panaudotoms jėgoms padauginti gali būti naudojamos kelių skriemulių sistemos su skirtingu spinduliu. Tai daroma paprastu veiksmu, kai reikia daugiau virvių, nes F_i krinta, kai d kyla fiksuota W vertė.

Kai vieno jų grandinės skriemulio spindulys yra didesnis už paskesnį, tai sukuria šios poros mechaninį pranašumą, proporcingą spindulių vertės skirtumui. Ilgas tokių skriemulių masyvas, vadinamas asudėtinis skriemulys, gali perkelti labai sunkius krovinius - tiesiog nešk daug lyno!

Neseniai gautų 3000 N svorio fizikos vadovėlių dėžę pakelia doko darbuotojas, kuris 200 N jėga traukia skriemulio lyną. Koks yra mechaninis sistemos pranašumas?

Ši problema iš tikrųjų yra tokia paprasta, kaip atrodo;F_o/ F_i​ = 3,000/200 = ​15.0.Esmė yra iliustruoti, kokie nuostabūs ir galingi išradimai yra paprastos mašinos, nepaisant jų senovės ir elektroninio blizgesio trūkumo.

Galite pasilepinti internetinėmis skaičiuoklėmis, kurios leidžia eksperimentuoti su daugybe skirtingų įvesties rodiklių, susijusių su svirtimis santykinis svirties ir svirties ilgis, skriemulių konfigūracijos ir dar daugiau, kad galėtumėte praktiškai pajusti, kaip šių tipų skaičiai žaidžia problemos. Tokio patogaus įrankio pavyzdį galite rasti šaltiniuose.