Wat hebben mes, punaise en beitel met elkaar gemeen? Als je denkt dat ze allemaal scherp zijn en door dingen kunnen snijden of prikken, heb je deels gelijk, maar voeg nu een deurstopper toe aan de lijst. Het is niet bijzonder scherp en het kan niets snijden, maar het hoort er nog steeds bij, omdat alle items voorbeelden zijn van wiggen.
De wig van is een van de zes apparaten die in de wetenschap bekend staan als eenvoudige machines. Naast de wig omvatten de eenvoudige machines het hellend vlak, de schroef, het wiel en de as, de katrol en de hefboom. Sommige wetenschappers beschouwen de versnelling als een zevende item, maar anderen beschouwen de versnelling als een complexe machine met zowel het wiel als de as plus de hendel.
Wat is een eenvoudige machine?
Een eenvoudige machine is een rudimentair apparaat dat de kracht die je erop uitoefent vermenigvuldigt. Het is geen apparaat met interne componenten die een stroombron nodig hebben, zoals een automotor, maar het is niet minder belangrijk voor het doen van werk in de echte wereld. Eenvoudige machines bestaan al zolang de beschaving bestaat, en je zou zelfs kunnen stellen dat de ontdekking van eenvoudige machines, zoals het wiel en de wig, maakte beschaving mogelijk in de eerste plaats.
De afweging voor de verhoogde kracht die door een eenvoudige machine wordt uitgeoefend, is dat je de kracht over een langere afstand moet uitoefenen. Het mechanische voordeel van de machine komt neer op de verhouding tussen afstand waarop u een kracht uitoefent op de afstand de machine oefent de kracht uit, en de laatste moet kleiner zijn om het mechanische voordeel groter te maken dan 1. Het gebruik van een machine met een mechanisch voordeel van minder dan 1 zou net zo nuttig zijn als kijken door de verkeerde kant van een telescoop.
Het mechanische voordeel van een wig
Een wig lijkt op een tweezijdig hellend vlak, maar het wordt op zijn eigen verdienste als een machine beschouwd, omdat het altijd voor een bepaald doel wordt gebruikt, namelijk om dingen uit elkaar te splitsen. Hoe scherper de punt van de wig en hoe zachter de helling van de zijkanten, hoe meer kracht de wig zal leveren. Daarom zijn scherpe messen met dunne messen beter geschikt voor het snijden dan botte messen met dikke messen.
In wiskundige termen is het ideale mechanische voordeel (IMA) van een wig de verhouding van de afstand die de wig doordringt in het materiaal dat het splijt (D) tot de breedte van de splitsing (W):
IMA = D/W
Dit is de berekening van de wigkracht, maar u kunt deze niet gebruiken om rechtstreeks de kracht te berekenen die door de wig in een bepaald materiaal wordt uitgeoefend, omdat er geen rekening wordt gehouden met wrijving. U ondervindt meer wrijving bij het snijden door kaas dan bij het snijden door boter, en de wrijving werkt om de drijvende kracht van de wig te compenseren.
Hoe de drijvende kracht te berekenen?
U kunt het ideale mechanische voordeel van een wig gebruiken om de kracht op de punt van een wig te berekenen (FT) als u de kracht kent die op de wig wordt uitgeoefend (FEEN). De relatie is:
FT = (IMA) × FEEN = D/B × FEEN
Deze relatie is echter onvolledig, omdat de wrijvingskracht tegen de wig niet is meegerekend. Deze kracht hangt af van de wrijvingscoëfficiënt van zowel de wig als het materiaal dat het splijt, dus het is zeer variabel. Als de kinetische wrijvingscoëfficiënt tussen de wig en het materiaal µ is, dan is de totale wrijvingskracht (Ff) tegen de beweging is:
Ff = µFnee
Waar Fnee is de normaalkracht die wordt uitgeoefend op de grens van de wig en het materiaal. Fnee hangt af van de hoek van de wig.
Als je eenmaal hebt berekend Ff, kunt u de kracht bepalen die door de punt van de wig wordt uitgeoefend. Het is:
FT - Ff