Fordelene ved bruk av spaker og remskiver

Når noen ber deg vurdere konseptet amaskini det 21. århundre er det en virtuell gitt at uansett hvilket bilde som hopper inn i tankene dine, involverer elektronikk (f.eks. alt med digitale komponenter) eller i det minste noe som drives av strøm.

Mislykkes det, hvis du er en fan av for eksempel amerikansk ekspansjon fra 1800-tallet mot Stillehavet, kan du tenke på lokomotivdampmotoren som drev tog i disse dager - og representerte et genuint vidunder av ingeniørarbeid på den tiden.

I virkeligheten,enkle maskinerhar eksistert i hundrevis og i noen tilfeller tusenvis av år, og ingen av dem krever høyteknologisk montering eller kraft utenfor det personen eller de som bruker dem kan levere. Målet med disse forskjellige typene enkle maskiner er det samme: å generere fleremaktpå bekostning avavstandi en eller annen form (og kanskje litt tid også, men det er uenighet).

Hvis det høres ut som magi for deg, er det sannsynligvis fordi du forveksler kraft medenergi,en relatert mengde. Men selv om det er sant at energi ikke kan "skapes" i et system bortsett fra andre former for energi, gjelder ikke det samme for kraft, og den enkle grunnen til dette og mer venter på deg.

Før du tar tak i hvordan gjenstander brukes til å flytte andre objekter rundt i verden, er det godt å ha tak i grunnleggende terminologi.

På 1600-tallet begynte Isaac Newton sitt revolusjonerende arbeid innen fysikk og matematikk, hvor en kulminasjon var at Newton introduserte sine tre grunnleggende bevegelseslover. Den andre av disse sier at et nettmaktvirker for å akselerere eller endre hastigheten til massene:F_nett= men​.

• Det kan vises at i et lukket system kllikevekt(dvs. hvor hastigheten til alt som tilfeldigvis beveger seg ikke endres), er summen av alle krefter og dreiemomenter (krefter påført rundt en rotasjonsakse) null.

Når en kraft beveger et objekt gjennom en forskyvning d,arbeidsies å ha blitt gjort på det objektet:

Verdien av arbeidet er positiv når kraften og forskyvningen er i samme retning, og negativ når den er i den andre retningen. Arbeid har samme enhet som energi har, måleren (også kalt joule).

Energi er en egenskap av materie som manifesterer seg på mange måter, i både bevegelige og "hvilende" former, og viktigere, det er bevart i lukkede systemer på samme måte som kraft og momentum (masse ganger hastighet) er i fysikk.

Det er tydelig at mennesker trenger å flytte ting, ofte lange avstander. Det er nyttig å være i stand til å holde avstanden høy, men likevel kraften - noe som krever menneskelig kraft, som var desto mer skarp i førindustriell tid - på en eller annen måte lav. Arbeidsligningen ser ut til å tillate dette; for en gitt mengde arbeid, bør det ikke ha betydning hva de individuelle verdiene til F og d er.

Når det skjer, er dette prinsippet bak enkle maskiner, men ofte ikke med ideen om å maksimere avstandsvariabelen. Alle seks klassiske typer (spak,detalje, denhjul og aksling, denskråplan, denkileogskru) brukes til å redusere brukt kraft på bekostning av avstand for å gjøre samme mengde arbeid.

Begrepet "mekanisk fordel" er kanskje mer forlokkende enn det burde være, ettersom det nesten ser ut til å antyde at fysikksystemer kan spilles for å hente ut mer arbeid uten tilsvarende energiinngang. (Fordi arbeid har enheter av energi og energi konserveres i lukkede systemer, når arbeidet er gjort, er det størrelsen må tilsvare energien som legges i hvilken bevegelse som helst.) Dessverre er dette ikke tilfelle, menmekanisk fordel (MA)tilbyr fortsatt noen fine trøstepremier.

Foreløpig vurder to motsatte krefter F₁ og F₂ handler om et dreiepunkt, kalt asvingpunkt. Denne mengden,dreiemoment, beregnes ganske enkelt som styrke og retning av kraften multiplisert med avstanden L fra støttepunktet, kjent somspakarm​: ​T = F​​L. Hvis kreftene F₁ og F₂ skal være i balanse,T₁må være lik i størrelse tilT₂, eller

Dette kan også skrivesF₂/ F₁ = L₁/ L.₂. Hvis F₁ er deninngangskraft(deg, noen andre eller en annen maskin eller energikilde) og F₂ er denutgangskraft(også kalt belastning eller motstand), jo høyere forholdet mellom F2 og F1 er, desto høyere er det mekanisk fordel med systemet, fordi mer utgangskraft genereres ved å bruke relativt lite inngangskraft.

ForholdetF₂/ F₁,eller kanskje helstF_o/ F_Jeg,er ligningen for MA. I innledende problemer kalles det vanligvis ideal mekanisk fordel (IMA) fordi effekten av friksjon og luftmotstand blir ignorert.

Fra informasjonen ovenfor vet du nå hva en grunnleggende spak består av: asvingpunkt,eninngangskraftog enlaste. Til tross for dette arrangementet med bare bein, kommer spaker i menneskelig industri i bemerkelsesverdig forskjellige presentasjoner. Du vet sikkert at hvis du bruker en lirkebjelke til å flytte noe som gir få andre alternativer, har du brukt en spak. Men du har også brukt en spak når du har spilt piano eller brukt et standard sett med neglesaks.

Spakene kan "stables" når det gjelder deres fysiske arrangement slik at deres individuelle mekaniske fordeler oppsummeres til noe enda større for systemet som helhet. Dette systemet kalles en sammensatt spak (og har en partner i trinseverdenen, som du vil se).

Det er dette multiplikasjonsaspektet ved enkle maskiner, både innenfor individuelle spaker og remskiver og mellom forskjellige i en sammensatt ordning, som gjør enkle maskiner verdt uansett hodepine av og til forårsake.

ENførsteordens spakhar støttepunktet mellom kraften og lasten. Et eksempel er et "Dumphuske"på en lekeplass.

ENandre ordens spakhar støttepunktet i den ene enden og kraften i den andre, med belastningen i mellom. Detrillebårer det klassiske eksemplet.

ENtredje ordens spak,som en andreordens spak, har støttepunktet i den ene enden. Men i dette tilfellet er belastningen i den andre enden, og kraften påføres et sted i mellom. Mange sportsredskaper, for eksempel baseball flaggermus, representerer denne spaken.

Den mekaniske fordelen med spaker kan manipuleres i den virkelige verden med strategiske plasseringer av de tre nødvendige elementene i et slikt system.

Kroppen din er lastet med samhandlende spaker. Et eksempel er bicep. Denne muskelen fester seg til underarmen et punkt mellom albuen ("støttepunktet") og uansett hvilken belastning som bæres av hånden. Dette gjør bicepsen til en tredje ordens spak.

Mindre selvsagt kanskje fungerer leggmuskelen og akillessenen i foten din sammen som en annen slags spak. Når du går og ruller fremover, fungerer fotkulen som en støttepunkt. Muskelen og senene utøver kraft oppover og fremover, og motvirker kroppsvekten din. Dette er et eksempel på en andreordens spak, som en trillebår.

En bil med en masse på 1000 kg, eller 2,204 lb (vekt: 9800 N), ligger på enden av en veldig stiv, men veldig lett stålstang, med en støttepunkt plassert 5 m fra bilens massesenter. En person med en masse på 5 kg (110 lb) sier at hun kan motveie bilens vekt alene ved å stå i den andre enden av stangen, som kan forlenges horisontalt så lenge det er behov for. Hvor langt fra støttepunktet må hun være for å oppnå dette?

Balanse mellom krefter krever at F₁L₁ = F₂L₂, hvor F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N, og L2 = 5. Dermed er L1 = (9800) (5) / (490) =100 m(litt lenger enn en fotballbane).

En trinse er en slags enkel maskin som, i likhet med de andre, har vært i bruk i forskjellige former i tusenvis av år. Du har sikkert sett dem; de kan være faste eller bevegelige, og inkluderer et tau eller en kabel viklet rundt en roterende sirkulær skive som har et spor eller et annet middel for å hindre at kabelen glir sidelengs.

Den største fordelen med en remskive er ikke at den øker MA, som forblir på verdien 1 for enkle remskiver; det er at den kan endre retningen til en påført kraft. Dette betyr kanskje ikke så mye om tyngdekraften ikke var i blandingen, men fordi det er, innebærer nesten alle menneskelige ingeniørproblemer å bekjempe eller utnytte det på en eller annen måte.

En remskive kan brukes til å løfte tunge gjenstander relativt enkelt ved å gjøre det mulig å bruke kraft i samme retning tyngdekraften virker - ved å trekke ned. I slike situasjoner kan du også bruke din egen kroppsmasse for å øke belastningen.

Siden alt som en enkel remskive gjør er å endre kraftens retning, er det som nevnt ikke maksimert. I stedet kan systemer med flere remskiver med forskjellige radier brukes til å multiplisere påførte krefter. Dette gjøres gjennom den enkle handlingen å gjøre mer tau nødvendig, siden F_Jeg faller når d stiger for en fast verdi på W.

Når en remskive i en kjede av dem har en større radius enn den som følger den, skaper dette en mekanisk fordel i dette paret som er proporsjonal med forskjellen i verdien på radiene. En lang rekke slike remskiver, kalt asammensatt remskive, kan flytte veldig tunge laster - bare ta med masse tau!

En kasse med nylig ankomne fysikklærbøker som veier 3000 N, løftes av en dokkearbeider, som trekker med en kraft på 200 N på et trinsetau. Hva er den mekaniske fordelen med systemet?

Dette problemet er virkelig så enkelt som det ser ut;F_o/ F_Jeg​ = 3,000/200 = ​15.0.Poenget er å illustrere hvilke bemerkelsesverdige og kraftige oppfinnelser enkle maskiner, til tross for sin antikk og mangel på elektronisk glitter, virkelig er.

Du kan unne deg kalkulatorer på nettet som lar deg eksperimentere med et vell av forskjellige innganger når det gjelder spaktyper, relative spakarmlengder, trinsekonfigurasjoner og mer, slik at du kan få praktisk følelse for hvordan tallene i denne typen problemer spiller. Et eksempel på et slikt praktisk verktøy finner du i Resources.