Шкив не использует топливо или электричество, и он не работает сам по себе, но это все же машина. Не машина в том смысле, в каком это слово определено в словаре Мерриама-Вебстера, а машина в том смысле, в котором инженеры определяют это слово: "Простые машины - это устройства, которые можно использовать для увеличения или увеличения силы, которую мы применяем — часто за счет расстояния, на котором мы применяем силу ".
У каждой машины есть механическое преимущество
В список простых машин входят предметы, которыми люди пользуются каждый день, например, молотки, отвертки и дверные ручки. Все эти орудия относятся к одной из шести классических категорий простых машин. Категории:
- Колесо и ось
- Шкив
- Рычаг
- Наклонная плоскость
- Винт
- Клин
Некоторые ученые рассматривают винт и клин как особые типы наклонных плоскостей, что сокращает список до четырех позиций. Вы даже можете рассматривать шкив как частный случай колеса и оси и сократить список до трех пунктов. Однако независимо от того, сколько элементов находится в списке, шкив квалифицируется как машина.
Отношение выходной силы машины к приложенной к ней силе известно как сила машины. механическое преимущество (Массачусетс). Чтобы машина была машиной, выходная сила должна быть больше входящей, а это означает, что механическое преимущество всегда должно быть больше 1. Чем больше механическое преимущество, тем меньше усилий вы должны приложить к машине, чтобы заставить ее работать.
Механическое преимущество шкивной системы
Вы можете рассчитать механическое преимущество системы шкивов, рассчитав силу, необходимую для подъема груза на определенную высоту без шкива (выходная сила, FO), а затем вычислить усилие, необходимое для этого со шкивом (входная сила Fя). Механическое преимущество - это отношение выходной силы к входной: MA = FO/ Fя. Чем меньше входная сила по сравнению с выходной силой, тем больше механическое преимущество.
Для простой системы шкивов вычислить ее механическое преимущество до смешного легко. Вы просто подсчитываете количество веревок, поддерживающих груз.
Зная механическое преимущество, вы можете рассчитать силу, необходимую для подъема известного веса. Сила и вес означают одно и то же, поэтому, рассчитав механическое преимущество, вы сможете определить уменьшение нагрузки на шкив.
Чтобы получить механическое преимущество, нужно тянуть больше веревки
«Подождите», - скажете вы. «Откуда вы знаете, что механическое преимущество равно количеству веревок?» Чтобы ответить на этот вопрос, вам нужно знать, что Работа есть, а не та работа, которую вы выполняете на работе с 9 до 5.
Что касается физиков, вы выполняете работу (W), прикладывая силу (F) на расстоянии (d). Вы рассчитываете работу, умножая силу на расстояние:
W = F • d.
Работа связана с энергией, и поскольку один из самых фундаментальных законов природы заключается в том, что энергия всегда сохраняется, работа должна быть сохранена. Если сила, приложенная к системе шкивов, меньше, чем сила, необходимая для подъема груза, что-то должно измениться, чтобы объем выполняемой вами работы был равен количеству работы, необходимой для подъема груза.
Изменяющаяся величина - это расстояние. При использовании системы шкивов вы прикладываете меньшее усилие для подъема груза, но вам нужно тянуть больше веревки, чтобы поднять груз на определенную высоту. Если у вас система с двумя шкивами, вам придется тянуть вдвое больше веревки; в системе с тремя шкивами вы должны тянуть в три раза больше и так далее. Фактически, для любой системы шкивов вы можете рассчитать количество дополнительной веревки, которую вам нужно натянуть, посчитав количество веревок, поддерживающих нагрузку.
Снижение веса, усилия и нагрузки на шкив
Вес и сила не разные величины. Вес объекта - это не что иное, как сила, действующая на него под действием гравитации, поэтому, когда вы поднимаете объект, вы должны приложить силу, равную силе гравитации. Если у вас система с одним шкивом, шкив позволяет вам тянуть веревку вниз, а не вверх, что определенно проще, но заставлять вас прилагать по-прежнему равна вес груза ты поднимаешься.
Если вы добавите шкив под первым, обвяжите веревкой оба шкива и подвесьте груз на втором шкиве, нагрузка теперь будет поддерживаться двумя веревками. Таким образом, механическое преимущество этой новой улучшенной системы шкивов составляет 2, а это означает, что вам нужно только приложить усилия. сила, равная половине веса груза поднять его. Подвесьте третий шкив к первому, пропустите веревку так, чтобы три веревки удерживали груз, а сила, которую вы должны приложить, чтобы поднять груз, составляла лишь одну треть его веса.
В целом можно сказать, что уменьшение нагрузки на шкив является обратной величиной количества канатов, поддерживающих нагрузку, но немногие практические системы шкивов имеют более четырех канатов. Следовательно, максимальное снижение нагрузки на шкив, которое вы можете реализовать, составляет четверть веса груза. На самом деле фактическое снижение нагрузки немного меньше этого, потому что вы должны учитывать трение в шкивах.
Пример калькулятора веса шкива
Предположим, вы можете поднять человека весом 200 фунтов самостоятельно, но это предел ваших способностей в тяжелой атлетике. Не могли бы вы изобрести систему шкивов, чтобы поднять автомобиль весом 2000 фунтов? Вероятно, не потому, что даже система с четырьмя шкивами снизила бы вес всего на четверть, а это все еще 500 фунтов.
Предположим, вы можете установить пару систем шкивов и попросить друга, такого же сильного, как вы, потянуть за одну из них. У вас все равно будут проблемы, но вы сможете это сделать, потому что каждый шкив поднимет половину веса, или 1000 фунтов, а четверть этого веса составляет 250 фунтов. Однако если вы добавите к работе третий шкив и третьего человека, каждому человеку нужно будет приложить только 167 фунтов силы, что вполне в их силах, поэтому эта система будет работать легко.
Калькулятор веса шкива не зависит от того, какой груз поднимется первым при натяжении веревки, потому что, если один человек потянет раньше, чем двое других, машина не двинется. Все три человека должны тянуть одновременно, чтобы правильно распределить нагрузку и равномерно распределить вес между тремя шкивами. Когда три человека работают одновременно, фактически имеется 12 веревок, поддерживающих машину, что делает механическое преимущество системы шкивов 12 и снижает чистую силу, необходимую для подъема транспортного средства, до 2000 ÷ 12 = 167 фунтов.