Hva har en kniv, trykknål og meisel til felles? Hvis du tror det er at de alle er skarpe og kan klippe eller stikke gjennom ting, har du delvis rett, men legg nå til en dørstopp på listen. Det er ikke spesielt skarpt, og det kan ikke kutte noe, men det hører fortsatt til, fordi alle elementene er eksempler på kiler.
Kilen til er en av de seks enhetene kjent for vitenskapen som enkle maskiner. I tillegg til kilen inkluderer de enkle maskinene skråplan, skrue, hjul og aksel, remskive og spak. Noen forskere inkluderer utstyret som en syvende oppføring, men andre anser utstyret som en kompleks maskin som inneholder både hjul og aksel pluss spaken.
Hva er en enkel maskin?
En enkel maskin er en rudimentær enhet som multipliserer kraften du bruker på den. Det er ikke en enhet med interne komponenter som krever en strømkilde, for eksempel en bilmotor, men det er ikke mindre viktig for å gjøre arbeid i den virkelige verden. Enkle maskiner har eksistert så lenge sivilisasjonen har eksistert, og du kan til og med hevde at oppdagelsen av enkle maskiner, som hjulet og kilen, gjorde sivilisasjonen mulig i den første plass.
Avviket for den økte kraften som utøves av en enkel maskin er at du må bruke kraften over en lengre distanse. Den mekaniske fordelen med maskinen koker ned til forholdet mellom avstand du bruker en kraft på avstanden maskinen bruker kraften, og sistnevnte må være mindre for at den mekaniske fordelen skal være større enn 1. Å bruke en maskin med en mekanisk fordel mindre enn 1 vil være like nyttig som å se gjennom feil side av et teleskop.
Den mekaniske fordelen med en kil
En kil ligner på et tosidig hellingsplan, men det regnes som en maskin på sin egen fortjeneste fordi den alltid brukes til et bestemt formål, som er å dele ting fra hverandre. Jo skarpere spiss på kilen og jo mer skånsom hellingen på sidene, jo mer kraft vil kilen levere. Derfor er skarpe kniver med tynne kniver bedre for skjæring enn kjedelige med tykke kniver.
I matematiske termer er den ideelle mekaniske fordelen (IMA) av en kil forholdet mellom avstanden kilen trenger inn i materialet den splitter (D) til bredden på splittelsen (W):
IMA = D / W
Dette er kalkraftberegningen, men du kan ikke bruke den til å direkte beregne kraften som kilen utøver i et bestemt materiale fordi den ikke tar hensyn til friksjon. Du møter mer friksjon som skjærer gjennom ost enn du klipper gjennom smør, og friksjonen virker for å oppveie kilens drivkraft.
Hvordan beregne drivkraften
Du kan bruke den ideelle mekaniske fordelen med en kil for å beregne kraften på kilens spiss (FT) hvis du vet hvilken kraft som påføres kilen (FEN). Forholdet er:
FT = (IMA) × FEN = D / B × FEN
Dette forholdet er imidlertid ufullstendig fordi det ikke inkluderer friksjonskraften mot kilen. Denne kraften avhenger av friksjonskoeffisienten til både kilen og materialet den deler, så den er svært variabel. Hvis koeffisienten for kinetisk friksjon mellom kilen og materialet er µ, er den totale friksjonskraften (Ff) som motarbeider bevegelsen er:
Ff = µFN
Hvor FN er den normale kraften som utøves ved grensen til kilen og materialet. FN avhenger av kilens vinkel.
Når du har beregnet Ff, kan du bestemme kraften som utøves av kilespissen. Det er:
FT - Ff