Čo majú spoločné nôž, špendlík a sekáč? Ak si myslíte, že sú všetky ostré a dokážu veci krájať alebo pichať, máte čiastočne pravdu, ale teraz do zoznamu pridajte zarážku. Nie je nijako zvlášť ostrý a nič nemôže rezať, ale stále patrí, pretože všetky položky sú príkladom klinov.
Klin je jedným zo šiestich zariadení známych vede ako jednoduché stroje. Okrem klinu jednoduché stroje zahŕňajú naklonenú rovinu, skrutku, koleso a nápravu, kladku a páku. Niektorí vedci zaraďujú prevodový stupeň ako siedmy vstup, iní však prevod považujú za zložitý stroj obsahujúci koleso aj nápravu plus páku.
Čo je to jednoduchý stroj?
Jednoduchý stroj je základné zariadenie, ktoré znásobuje silu, ktorú na neho pôsobíte. Nie je to zariadenie s vnútornými komponentmi, ktoré vyžadujú zdroj energie, ako je napríklad automobilový motor, ale nie je menej dôležité pre prácu v skutočnom svete. Jednoduché stroje existujú už tak dlho, ako existuje civilizácia, a dalo by sa dokonca namietať, že objav jednoduchých strojov, ako sú koleso a klin, umožnil civilizáciu v prvom miesto.
Kompromis so zvýšenou silou vyvíjanou jednoduchým strojom je ten, že musíte silu vyvinúť na väčšiu vzdialenosť. Mechanická výhoda stroja sa scvrkáva na pomer vzdialenosti, na ktorú pôsobíte silou stroj použije silu a tá musí byť menšia, aby bola mechanická výhoda väčšia ako 1. Používanie stroja s mechanickou výhodou menšou ako 1 by bolo rovnako užitočné ako pozeranie sa cez nesprávnu stranu ďalekohľadu.
Mechanická výhoda klinu
Klin je podobný obojstrannej rovine sklonu, ale je považovaný za stroj na základe vlastných zásluh, pretože sa vždy používa na konkrétny účel, ktorým je rozdelenie vecí. Čím je hrot klinu ostrejší a čím jemnejší je sklon jeho strán, tým väčšiu silu klin vydá. Preto sú ostré nože s tenkými čepeľami lepšie na rezanie ako tupé s hrubými čepeľami.
Z matematického hľadiska je ideálnou mechanickou výhodou (IMA) klinu pomer vzdialenosti, ktorú klin prenikne do materiálu, ktorý sa štiepi (D) na šírku rozdelenia (Ž):
IMA = D / W
Toto je výpočet klinovej sily, ale nemôžete ju použiť na priamy výpočet sily vyvíjanej klinom na konkrétny materiál, pretože neberie do úvahy trenie. Pri rezaní syra sa stretnete s väčším trením ako pri rezaní masla, a trenie slúži na vyrovnanie hnacej sily klinu.
Ako vypočítať hnaciu silu
Ideálnu mechanickú výhodu klinu môžete využiť na výpočet sily na hrote klinu (FT) ak poznáte silu použitú na klin (FA). Vzťah je:
FT = (IMA) × FA = D / W × FA
Tento vzťah je však neúplný, pretože nezahŕňa silu trenia pôsobiacu proti klinu. Táto sila závisí od koeficientu trenia klinu aj materiálu, ktorý sa štiepi, takže je veľmi variabilná. Ak je koeficient kinetického trenia medzi klinom a materiálom µ, celková trecia sila (Ff) proti pohybu je:
Ff = uFN
Kde FN je normálová sila vyvíjaná na hranici klinu a materiálu. FN závisí od uhla klinu.
Akonáhle ste vypočítali Ff, môžete určiť silu vyvíjanú špičkou klinu. To je:
FT - Ff
