Co mają wspólnego nóż, pinezka i dłuto? Jeśli uważasz, że wszystkie są ostre i mogą przecinać lub przebijać się przez różne rzeczy, masz częściowo rację, ale teraz dodaj do listy ogranicznik. Nie jest szczególnie ostry i nie może niczego przeciąć, ale nadal należy, ponieważ wszystkie przedmioty to przykłady klinów.
Klin jest jednym z sześciu urządzeń znanych nauce jako proste maszyny. Oprócz klina proste maszyny obejmują pochyloną płaszczyznę, śrubę, koło i oś, koło pasowe i dźwignię. Niektórzy naukowcy uwzględniają koło zębate jako siódme wejście, ale inni uważają koło zębate za złożoną maszynę zawierającą zarówno koło, jak i oś oraz dźwignię.
Czym jest prosta maszyna?
Prosta maszyna to elementarne urządzenie, które zwielokrotnia siłę, którą do niej przykładasz. Nie jest to urządzenie z elementami wewnętrznymi, które wymagają źródła zasilania, takiego jak silnik samochodowy, ale jest nie mniej ważne przy wykonywaniu pracy w świecie rzeczywistym. Proste maszyny istnieją od początku istnienia cywilizacji i można nawet argumentować, że odkrycie prostych maszyn, takich jak koło i klin, umożliwiło cywilizację w pierwszej kolejności miejsce.
Kompromisem dla zwiększonej siły wywieranej przez prostą maszynę jest to, że musisz przykładać siłę na większą odległość. Mechaniczna przewaga maszyny sprowadza się do stosunku odległości przyłożonej siły do odległości to maszyna przykłada siłę, a ta druga musi być mniejsza, aby przewaga mechaniczna była większa niż 1. Używanie maszyny z przewagą mechaniczną mniejszą niż 1 byłoby tak samo przydatne, jak patrzenie przez niewłaściwą stronę teleskopu.
Mechaniczna zaleta klina
Klin jest podobny do dwustronnej płaszczyzny nachylenia, ale jest uważany za maszynę samą w sobie, ponieważ zawsze służy do określonego celu, jakim jest rozdzielenie przedmiotów. Im ostrzejszy czubek klina i łagodniejsze nachylenie jego boków, tym większą siłę dostarczy klin. Dlatego ostre noże z cienkimi ostrzami są lepsze do cięcia niż tępe noże z grubymi ostrzami.
Z matematycznego punktu widzenia idealną przewagą mechaniczną (IMA) klina jest stosunek odległości, na jaką klin wnika w materiał, który rozłupuje (re) do szerokości podziału (W):
IMA = D/W
To jest obliczenie siły klina, ale nie można go użyć do bezpośredniego obliczenia siły wywieranej przez klin w konkretnym materiale, ponieważ nie uwzględnia tarcia. Przecinając ser napotykasz więcej tarcia niż przecinając masło, a tarcie działa, aby zrównoważyć siłę napędową klina.
Jak obliczyć siłę napędową
Możesz wykorzystać idealną mechaniczną zaletę klina do obliczenia siły na czubku klina (faT) jeśli znasz siłę przyłożoną do klina (faZA). Związek jest:
faT = (IMA) × FZA = D/W × FZA
Ta zależność jest jednak niepełna, ponieważ nie obejmuje siły tarcia przeciwstawnej klinowi. Siła ta zależy od współczynnika tarcia zarówno klina, jak i materiału, który rozłupuje, więc jest bardzo zmienna. Jeżeli współczynnik tarcia kinetycznego między klinem a materiałem wynosi µ, całkowita siła tarcia (fafa) sprzeciwia się wnioskowi:
fafa = µFN
Gdzie faN to normalna siła wywierana na granicy klina i materiału. faN zależy od kąta klina.
Po obliczeniu fafa, można określić siłę wywieraną przez czubek klina. To jest:
faT - Ffa