En remskive bruker ikke drivstoff eller strøm, og den går ikke alene, men den er fortsatt en maskin. Ikke en maskin som ordet er definert av Merriam-Webster-ordboken, men en maskin som ingeniører definerer ordet: "Enkle maskiner er enheter som kan brukes til å multiplisere eller øke en kraft som vi bruker — ofte på bekostning av en avstand vi bruker kraften gjennom. "
Hver maskin har en mekanisk fordel
Listen over enkle maskiner inkluderer gjenstander folk bruker hver dag, for eksempel hammer, skrutrekkere og dørhåndtak. Alle disse redskapene faller inn i en av de seks klassiske kategoriene enkle maskiner. Kategoriene er:
- Hjul og aksling
- Talje
- Spak
- Skråplan
- Skru
- Kile
Noen forskere betrakter skruen og kilen som spesielle typer skråplan, noe som reduserer listen til fire oppføringer. Du kan til og med betrakte remskiven som et spesielt tilfelle av et hjul og en aksel og redusere listen til tre ting. Uansett hvor mange gjenstander som er på listen, kvalifiserer en remskive som en maskin.
Forholdet mellom utgangskraften til en maskin og kraften du bruker på den, kalles maskinens
mekanisk fordel (MA). For at en maskin skal være en maskin, må utgangskraften være større enn inngangskraften, noe som betyr at den mekaniske fordelen alltid må være større enn 1. Jo større den mekaniske fordelen, jo mindre krefter har du å legge inn i maskinen for å få den til å fungere.Den mekaniske fordelen med et remskivesystem
Du kan beregne den mekaniske fordelen med et trinsesystem ved å beregne kraften som kreves for å løfte en last til en viss høyde uten en trinse (utgangskraften, FO) og deretter beregne kraften som kreves for å gjøre det med remskiven (inngangskraften FJeg). Den mekaniske fordelen er forholdet mellom utgangskraften og inngangskraften: MA = FO/ FJeg. Jo mindre inngangskraften er i forhold til utgangskraften, jo større er den mekaniske fordelen.
For et enkelt trinsesystem er beregningen av dets mekaniske fordel latterlig enkelt. Du teller ganske enkelt antall tau som støtter lasten.
Når du vet den mekaniske fordelen, kan du beregne kraften som trengs for å løfte en kjent vekt. Kraft og vekt betyr det samme, så ved å beregne den mekaniske fordelen, vil du være i stand til å finne ut trinsbelastningsreduksjonen.
For å få en mekanisk fordel, må du trekke mer tau
"Vent," sier du. "Hvordan vet du at den mekaniske fordelen tilsvarer antall tau?" For å svare på dette spørsmålet, må du vite hva arbeid er, og ikke den typen arbeid du gjør på din 9-til-5-jobb.
Når det gjelder fysikere, jobber du (W) ved å bruke en kraft (F) over en avstand (d). Du beregner arbeidet ved å multiplisere kraften med avstanden:
W = F • d.
Arbeid er relatert til energi, og siden en av de mest grunnleggende naturlovene er at energi alltid er bevart, må arbeid bevares. Hvis kraften som påføres et trinsesystem er mindre enn kraften som trengs for å løfte lasten, må noe endres for å gjøre at arbeidsmengden tilsvarer mengden arbeid som trengs for å løfte lasten.
Mengden som endres er avstand. Du bruker mindre kraft for å løfte en last når du bruker et trinsesystem, men du må trekke mer tau for å heve lasten til en bestemt høyde. Hvis du har et dobbelt trinsesystem, må du trekke dobbelt så mye tau; i et trippel trinsystem må du trekke tre ganger så mye, og så videre. Faktisk, for ethvert trinsystem, kan du beregne mengden ekstra tau du må trekke ved å telle antall tau som støtter lasten.
Vekt, kraft og remskive belastningsreduksjon
Vekt og kraft er ikke forskjellige mengder. En gjenstands vekt er bare kraften som tyngdekraften utøver på den, så når du løfter en gjenstand, må du utøve en kraft som er lik gravitasjonskraften. Hvis du har et enkelt trinsesystem, lar du trinsen trekke ned på tauet i stedet for opp, noe som definitivt er enklere, men tvinge deg til å utøve er fortsatt lik vekten av lasten du løfter.
Hvis du legger til en remskive under den første, løkker tauet rundt begge remskivene og henger en last fra den andre remskiven, støttes lasten nå av to tau. Den mekaniske fordelen med dette nye, forbedrede trinsesystemet er derfor 2, og det betyr at du bare trenger å trene en kraft lik halvparten av vekten av lasten å løfte den. Heng en tredje remskive fra den første, løkk tauet gjennom så tre tau henger opp lasten, og kraften du må utøve for å løfte lasten er bare en tredjedel av vekten.
Du kan si generelt at reduksjon av remskivelast er gjensidig av antall tau som støtter lasten, men få praktiske remskivesystemer har mer enn fire tau. Følgelig er den maksimale reduksjonen av trinsbelastningen du kan realisere en fjerdedel av vekten av lasten. I virkeligheten er den faktiske lastreduksjonen litt mindre enn dette fordi du må ta hensyn til friksjon i remskivene.
Et eksempel på kalkulator for remskivevekt
Anta at du kan løfte en person på 200 kilo alene, men det er grensen for dine vektløftingsevner. Kan du tenke ut et trinsesystem for å løfte en 2000 pund bil? Sannsynligvis ikke fordi selv et firhjulssystem ville redusere vekten med bare en fjerdedel, og det er fortsatt 500 pund.
Anta at du kan rigge opp et par trinsesystemer og få en venn som er like sterk som deg, til å trekke en av dem. Du vil fortsatt ha problemer, men du kan kanskje gjøre det fordi hver remskive løfter halvparten av vekten, eller 1000 pund, og en fjerdedel av vekten er 250 pund. Hvis du la til en tredje remskive og en tredje person til jobben, vil hver person imidlertid bare måtte utøve 167 pund kraft, noe som ligger godt innenfor deres evne, så dette systemet vil fungere enkelt.
En kalkulator for remskivevekt avhenger ikke av hvilken vekt som løfter først når tauet trekkes, for hvis en person trekker før de andre to gjør det, vil ikke bilen bevege seg. Alle tre menneskene må trekke samtidig for å dele lasten riktig og fordele vekten jevnt mellom de tre remskivene. Når de tre menneskene jobber samtidig, er det faktisk 12 tau som støtter bilen, noe som gjør mekanisk fordel med trinsystemet 12 og reduserer nettokraften som kreves for å løfte kjøretøyet til 2000 ÷ 12 = 167 pund.