Sviru un skriemeļu lietošanas priekšrocības

Kad kāds lūdz jūs apsvērt a jēdzienumašīna21. gadsimtā tas ir virtuāli, ņemot vērā to, ka jebkurš attēls, kas lec jūsu prātā, ir saistīts ar elektroniku (piemēram, jebko ar digitālajiem komponentiem) vai vismaz kaut ko tādu, ko darbina elektrība.

Ja tas neizdodas, ja esat, teiksim, 19. gadsimta Amerikas paplašināšanās uz rietumiem virzienā uz Kluso okeānu, jūs varētu domāt par lokomotīves tvaika dzinējs, kas tajos laikos darbināja vilcienus - un tajā laikā pārstāvēja īstu inženierijas brīnumu.

Īstenībā,vienkāršas mašīnaspastāv simtiem un dažos gadījumos tūkstošiem gadu, un nevienam no tiem nav nepieciešama augsto tehnoloģiju montāža vai jauda ārpus tā, ko var piegādāt persona vai cilvēki, kas tās lieto. Šo dažāda veida vienkāršo mašīnu mērķis ir vienāds: radīt papilduspēksuz rēķinaattālumskaut kādā formā (un varbūt arī nedaudz laika, bet tas ir ķibeles).

Ja jums tas izklausās kā maģija, iespējams, tāpēc, ka jūs jaucat spēku arenerģija,saistīto daudzumu. Bet, kaut arī patiesība, ka enerģiju sistēmā nevar "radīt", izņemot no citiem enerģijas veidiem, tas pats neattiecas uz spēku, un jūs gaida vienkāršais iemesls tam un vēl vairāk.

Pirms pievērsties tam, kā objekti tiek izmantoti, lai pārvietotu citus objektus pasaulē, ir labi, ja jums ir rokturis ar pamata terminoloģiju.

17. gadsimtā Īzaks Ņūtons uzsāka savu revolucionāro darbu fizikā un matemātikā, kura viena no kulminācijām bija Ņūtons, ieviešot savus trīs kustības pamatlikumus. Otrais no šiem apgalvo, ka tīklsspēksdarbojas, lai paātrinātu vai mainītu masu ātrumu:F_tīkls= ma​.

• Var pierādīt, ka slēgtā sistēmā plkstlīdzsvars(t.i., ja jebko, kas notiek kustībā, ātrums nemainās), visu spēku un griezes momentu summa (spēki, kas tiek izmantoti ap rotācijas asi) ir nulle.

Kad spēks pārvieto objektu caur pārvietojumu d,darbsir teikts, ka tas ir izdarīts uz šo objektu:

Darba vērtība ir pozitīva, ja spēks un pārvietojums ir vienā virzienā, un negatīvs, ja tas ir otrā virzienā. Darbam ir tāda pati mērvienība kā enerģijai, skaitītājam (sauktajam arī par džoulu).

Enerģija ir matērijas īpašība, kas daudzos veidos izpaužas gan kustīgās, gan "atpūtas" formās, gan kas ir svarīgi, tas tiek saglabāts slēgtās sistēmās tāpat kā spēks un impulss (masa reiz ar ātrumu) fizikā.

Cilvēkiem ir jāpārvieto lietas, bieži vien lielos attālumos. Ir lietderīgi spēt noturēt lielu attālumu, tomēr spēku - kas prasa cilvēka spēku, kas pirmsindustriālajos laikos bija vēl izteiktāks - kaut kā maz. Šķiet, ka darba vienādojums to pieļauj; attiecībā uz noteiktu darba apjomu nevajadzētu būt nozīmīgam F un d individuālajām vērtībām.

Kā tas notiek, tas ir vienkāršo mašīnu princips, lai gan bieži vien tas nav domāts par attāluma mainīgā maksimizēšanu. Visi seši klasiskie veidi (svira,trīsi,ritenis un ass,slīpa plakne,Ķīlisunskrūve) tiek izmantoti, lai samazinātu pielietoto spēku par attāluma izmaksām, lai veiktu tādu pašu darba apjomu.

Termins "mehāniskā priekšrocība", iespējams, ir pievilcīgāks, nekā tam vajadzētu būt, jo tas gandrīz nozīmē, ka fizikas sistēmas var spēlēt, lai iegūtu vairāk darba bez attiecīgas enerģijas ievadīšanas. (Tā kā darbā ir enerģijas vienības un enerģija tiek saglabāta slēgtās sistēmās, tad, kad darbs tiek veikts, tā lielumam jābūt vienādam ar enerģiju, kāda tiek piešķirta kustībai.) Diemžēl tas tā nav, betmehāniskās priekšrocības (MA)joprojām piedāvā dažas mierinošas balvas.

Pagaidām apsveriet divus pretējus spēkus F₁ un F₂ rīkojoties ap pagrieziena punktu, ko sauc par aatbalsta punkts. Šis daudzums,griezes moments, tiek aprēķināts vienkārši kā spēka lielums un virziens, kas reizināts ar attālumu L no atbalsta punkta, kas pazīstams kāsviras svira​: ​T = F​​L. Ja spēki F₁ un F₂ jābūt līdzsvarā,T₁lielumam jābūt vienādam arT₂vai

To var arī uzrakstītF₂/ F₁ = L₁/ L₂. Ja F₁ irievades spēks(jūs, kāds cits vai cita mašīna vai enerģijas avots) un F₂ irizejas spēks(ko sauc arī par slodzi vai pretestību), tad jo augstāka ir F2 attiecība pret F1, jo augstāka ir sistēmas mehāniskā priekšrocība, jo tiek radīts lielāks izejas spēks, izmantojot salīdzinoši maz ievades spēks.

AttiecībaF₂/ F₁,vai varbūt vēlamsF_o/ F_i,ir MA vienādojums. Ievada problēmās to parasti sauc par ideālu mehānisko priekšrocību (IMA), jo berzes un gaisa pretestības ietekme tiek ignorēta.

No iepriekš minētās informācijas tagad jūs zināt, no kā sastāv pamatsvira: aatbalsta punkts,anievades spēksun aslodze. Neskatoties uz šo kailo kaulu izvietojumu, sviras cilvēku rūpniecībā ir ļoti daudzveidīgas. Jūs droši vien zināt, ka, ja izmantojat izlēciena joslu, lai pārvietotu kaut ko, kas piedāvā dažas citas iespējas, esat izmantojis sviru. Bet jūs esat izmantojis arī sviru, kad esat spēlējis klavieres vai izmantojis standarta nagu griezēju komplektu.

Sviras var "sakraut" to fiziskā izvietojuma ziņā tā, lai to individuālās mehāniskās priekšrocības būtu kaut kas vēl lielāks visai sistēmai. Šo sistēmu sauc par saliktu sviru (un tai ir partneris skriemeļu pasaulē, kā redzēsiet).

Tas ir šis vienkāršo mašīnu reizinošais aspekts gan atsevišķās svirās, gan skriemeļos, gan starp tiem dažādi saliktajā veidā, kas padara vienkāršas mašīnas visu iespējamo galvassāpju vērts laiku pa laikam izraisīt.

Apirmās kārtas svirair atbalsta punkts starp spēku un slodzi. Piemērs irredzēt-zāģi"skolas rotaļu laukumā.

Aotrās kārtas sviravienā punktā ir atbalsta punkts, bet otrā - spēks, starp slodzi. Theķerrair klasiskais piemērs.

Atrešās kārtas svira,tāpat kā otrās pakāpes svirai, atbalsta punkts ir vienā galā. Bet šajā gadījumā slodze atrodas otrā galā, un spēks tiek piemērots kaut kur pa vidu. Daudzi sporta piederumi, piemēram, beisbola nūjas, pārstāv šo sviru klasi.

Sviru mehāniskās priekšrocības var manipulēt reālajā pasaulē, stratēģiski izvietojot jebkuras šādas sistēmas trīs nepieciešamos elementus.

Jūsu ķermenis ir piekrauts ar mijiedarbojošām svirām. Viens piemērs ir biceps. Šis muskulis piestiprinās apakšdelmam punktā starp elkoni ("balsta punktu") un jebkuru roku slodzi. Tas padara bicepu par trešās kārtas sviru.

Mazāk pašsaprotami, iespējams, teļa muskulis un Ahileja cīpsla jūsu kājā darbojas kopā kā cita veida svira. Ejot un ripinot uz priekšu, pēdas bumba darbojas kā atbalsta punkts. Muskuļi un cīpslas iedarbojas uz augšu un uz priekšu, neitralizējot jūsu ķermeņa svaru. Šis ir otrās kārtas sviras, piemēram, ķerras, piemērs.

Automašīna, kuras masa ir 1000 kg, jeb 2204 mārciņas (svars: 9800 N), ir novietota ļoti stingra, bet ļoti viegla tērauda stieņa galā, un atbalsta punkts ir novietots 5 m attālumā no automašīnas masas centra. Persona, kuras masa ir 5 kg (110 lb), saka, ka viņa pati var līdzsvarot automašīnas svaru stāvot uz stieņa otra gala, kuru var pagarināt horizontāli tik ilgi, cik tas ir nepieciešams. Cik tālu no atbalsta punkta viņai jābūt, lai to sasniegtu?

Spēku līdzsvars prasa, lai F₁L₁ = F₂L₂kur F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9,800 N un L2 = 5. Tādējādi L1 = (9800) (5) / (490) =100 m(nedaudz ilgāk nekā futbola laukums).

Piedziņas skriemelis ir sava veida vienkārša mašīna, kas, tāpat kā citas, ir izmantota dažādās formās tūkstošiem gadu. Jūs, iespējams, esat viņus redzējis; tie var būt fiksēti vai pārvietojami, un tajos ietilpst virve vai kabelis, kas savīti ap rotējošu apļveida disku, kuram ir rieva vai citi līdzekļi, kas pasargā kabeli no sāniem.

Galvenā skriemeļa priekšrocība nav tā, ka tas palielina MA, kas paliek 1 vērtībā vienkāršiem skriemeļiem; tas ir tas, ka tas var mainīt pielietotā spēka virzienu. Tas, iespējams, nav svarīgi, ja gravitācija nebūtu sajaukta, taču, tā kā tas ir, praktiski katra cilvēka inženierijas problēma ir saistīta ar kaut kādu tās apkarošanu vai izmantošanu.

Skriemeļu var izmantot, lai relatīvi viegli paceltu smagus priekšmetus, dodot iespēju pielietot spēku tajā pašā virzienā, kur darbojas gravitācija - velkot uz leju. Šādās situācijās jūs varat arī izmantot savu ķermeņa masu, lai palīdzētu palielināt slodzi.

Kā atzīmēts, tā kā viss vienkāršais skriemelis ir spēka virziena maiņa, tā lietderība reālajā pasaulē, lai arī ir ievērojama, netiek maksimāli palielināta. Tā vietā, lai reizinātu pielietotos spēkus, var izmantot vairāku dažādu skriemeļu skriemeļu sistēmas. Tas tiek darīts, veicot vienkāršu darbību, padarot nepieciešamu vairāk virves, jo F_i samazinās, pieaugot d fiksētai W vērtībai.

Kad vienam ķēdes skriemeļa rādiusam ir lielāks nekā tam sekojošais, tas šajā pārī rada mehānisku priekšrocību, kas ir proporcionāla rādiusu vērtības atšķirībai. Garš šādu skriemeļu klāsts, ko sauc par asaliktais skriemelis, var pārvietot ļoti smagas kravas - vienkārši paņemiet līdzi daudz virves!

Kastīti ar nesen saņemtajām fizikas mācību grāmatām, kuru svars ir 3000 N, paceļ doku darbinieks, kurš ar 200 N spēku velk uz skriemeļa troses. Kāda ir sistēmas mehāniskā priekšrocība?

Šī problēma patiešām ir tik vienkārša, kā izskatās;F_o/ F_i​ = 3,000/200 = ​15.0.Punkts ir ilustrēt to, kas patiešām ir izcili un spēcīgi izgudrojumi, neraugoties uz to senatnīgumu un elektroniskā mirdzuma trūkumu, vienkāršās mašīnas.

Jūs varat palutināt sevi ar tiešsaistes kalkulatoriem, kas ļauj jums eksperimentēt ar daudz dažādu ievadu sviras veidu ziņā, relatīvie sviras un sviras garumi, skriemeļu konfigurācijas un daudz kas cits, lai jūs varētu praktiski sajust, kā skaitļi šāda veida problēmas spēlē. Šāda parocīga rīka piemēru var atrast resursos.