Prednosti uporabe vzvodov in jermenic

Ko vas nekdo prosi, da razmislite o konceptustrojv 21. stoletju je to virtualno, glede na to, da kakršna koli slika vam skoči v misli, vključuje elektroniko (npr. karkoli z digitalnimi komponentami) ali vsaj nekaj, kar poganja elektrika.

Če tega ne storite, če ste ljubitelj, recimo, ameriške širitve proti zahodu proti Tihemu oceanu iz 19. stoletja, si parni stroj lokomotive, ki je v tistih časih poganjal vlake - in je takrat predstavljal pravo čudo tehnike.

V resnici papreprosti strojiobstajajo že stotine in v nekaterih primerih tudi tisoč let in nobeden od njih ne potrebuje visokotehnoloških sklopov ali moči zunaj tistega, kar lahko dobavi oseba ali ljudje, ki jih uporabljajo. Namen teh različnih vrst preprostih strojev je enak: ustvariti dodatnesilana računrazdaljav neki obliki (in morda tudi malo časa, toda to je prepiranje).

Če se vam to sliši kot čarovništvo, je to verjetno zato, ker si mešate siloenergija,povezana količina. A čeprav je res, da energije v sistemu ni mogoče "ustvariti", razen iz drugih oblik energije, to ne velja za silo in preprost razlog za to in še več vas čaka.

Preden se lotite, kako se predmeti uporabljajo za premikanje drugih predmetov po svetu, je dobro, da se seznanite z osnovno terminologijo.

V 17. stoletju je Isaac Newton začel svoje revolucionarno delo na področju fizike in matematike, katerega vrhunec je bil Newton, ki je predstavil svoje tri temeljne zakone gibanja. Drugi od teh navaja, da netosiladeluje za pospeševanje ali spreminjanje hitrosti mas:F_mreža= ma​.

• Dokažemo lahko, da v zaprtem sistemu naravnotežje(tj. če se hitrost vsega, kar se zgodi, da se premika, ne spreminja), je vsota vseh sil in navorov (sil, ki delujejo okoli osi vrtenja) enaka nič.

Ko sila premika predmet skozi premik d,deloje rečeno, da je bilo narejeno za ta objekt:

Vrednost dela je pozitivna, kadar sta sila in premik v isti smeri in negativna, če je v drugo smer. Delo ima enako enoto kot energija, števec (imenovan tudi džul).

Energija je lastnost snovi, ki se kaže v mnogih pogledih, tako v gibljivi kot v "počitniški" obliki, in pomembno je, da se v zaprtih sistemih ohranja na enak način kot sila in zagon (masa in hitrost) v fiziki.

Jasno je, da moramo ljudje premikati stvari, pogosto na velike razdalje. Koristno je, da lahko razdaljo držimo visoko, a silo - ki zahteva človeško moč, ki je bila še toliko bolj bleščeča v predindustrijskih časih - nekako nizko. Zdi se, da enačba dela to omogoča; za določeno količino dela ne bi smelo biti pomembno, kakšne so posamezne vrednosti F in d.

Kot se zgodi, je to načelo preprostih strojev, čeprav pogosto ne z namenom maksimiranja spremenljivke razdalje. Vseh šest klasičnih tipov (vzvod,jermenica,kolo in os,nagnjena ravnina,klininvijak) se uporabljajo za zmanjšanje uporabljene sile na ceno razdalje za enako količino dela.

Izraz "mehanska prednost" je morda bolj privlačen, kot bi moral biti, saj skorajda kaže na to, da se lahko fizični sistemi igrajo tako, da pridobijo več dela brez ustreznega vložka energije. (Ker ima delo enote energije in se energija v zaprtih sistemih ohrani, ko je delo opravljeno, pa velikost mora biti enaka energiji, vloženi v gibanje.) Na žalost ni tako, ampakmehanska prednost (MA)še vedno ponuja nekaj dobrih tolažilnih nagrad.

Za zdaj razmislite o dveh nasprotnih silah F₁ in F₂ deluje okoli pivot točke, imenovano atočka opore. Ta količina,navor, se izračuna preprosto kot velikost in smer sile, pomnožene z razdaljo L od oporišča, znano kotročica ročice​: ​T = F​​L. Če sile F₁ in F₂ biti v ravnovesju,T₁mora biti enaka po velikostiT₂, ali

To se lahko tudi napišeF₂/ F₁ = L₁/ L₂. Če je F₁ ali jevhodna sila(vi, nekdo drug ali drug stroj ali vir energije) in F₂ ali jeizhodna sila(imenovano tudi obremenitev ali upor), višje ko je razmerje med F2 in F1, večje je mehanska prednost sistema, ker se s primerjalno malo ustvari več izhodne sile vhodna sila.

RazmerjeF₂/ F₁,ali morda po možnostiF_o/ F_jaz,je enačba za MA. V uvodnih težavah ga običajno imenujemo idealna mehanska prednost (IMA), ker se učinki trenja in zračnega upora ne upoštevajo.

Iz zgornjih informacij zdaj veste, iz česa je sestavljen osnovni vzvod: atočka,anvhodna silain aobremenitev. Kljub temu dogovoru z golimi kostmi so vzvodi v človeški industriji izjemno raznoliki. Verjetno veste, da če uporabljate pomično palico, da premaknete nekaj, kar ponuja nekaj drugih možnosti, ste uporabili vzvod. Ste pa tudi ročico uporabljali, ko ste igrali klavir ali uporabljali standardni komplet škarj za nohte.

Vzvode je mogoče "zložiti" glede na njihovo fizično razporeditev tako, da njihove posamezne mehanske prednosti seštejejo v nekaj še večjega za sistem kot celoto. Ta sistem se imenuje sestavljena ročica (in ima partnerja v svetu jermenic, kot boste videli).

To je ta multiplikativni vidik preprostih strojev, tako znotraj posameznih vzvodov in jermenic kot med njimi različne v sestavljeni ureditvi, zaradi česar so preprosti stroji vredni ne glede na preglavice občasno vzrok.

Avzvod prvega redaima osnovo med silo in obremenitvijo. Primer je "glej-videl"na šolskem igrišču.

Avzvod drugega redaima na enem koncu osnovo, na drugem pa silo, vmes pa obremenitev. Thesamokolnicaje klasičen primer.

Avzvod tretjega reda,kot vzvod drugega reda, ima na enem koncu oporišče. Toda v tem primeru je obremenitev na drugem koncu in sila deluje nekje vmes. Številni športni pripomočki, na primer baseball netopirji, predstavljajo ta razred vzvoda.

Mehansko prednost vzvodov je mogoče v resničnem svetu manipulirati s strateško umestitvijo treh potrebnih elementov katerega koli takega sistema.

Vaše telo je obremenjeno z medsebojnimi vzvodi. En primer je bicep. Ta mišica se pritrdi na podlaket v točki med komolcem ("oporišče") in ne glede na obremenitev roke. Zaradi tega je bicep vzvod tretjega reda.

Morda manj samoumevno, da telečja mišica in Ahilova tetiva na nogi delujeta skupaj kot drugačen vzvod. Ko hodiš in se kotališ naprej, noga stopala deluje kot oporna točka. Mišice in kite delujejo navzgor in naprej, kar preprečuje telesno težo. To je primer vzvoda drugega reda, kot je samokolnica.

Avto z maso 1.000 kg ali 2.204 lb (teža: 9.800 N) je nameščen na koncu zelo toge, a zelo lahke jeklene palice z oporno točko, nameščeno 5 m od središča mase avtomobila. Oseba z maso 5 kg (110 lb) pravi, da lahko sama uravnava težo avtomobila tako da stojimo na drugem koncu palice, ki ga lahko vodoravno iztegnemo tako dolgo, kot je potrebno. Kako daleč mora biti od točke vpetja, da bi to dosegla?

Ravnotežje sil zahteva, da F₁L₁ = F₂L₂, kjer je F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N in L2 = 5. Tako je L1 = (9800) (5) / (490) =100 m(malo dlje kot nogometno igrišče).

Škripec je neke vrste preprost stroj, ki je tako kot drugi že tisoče let v različnih oblikah. Verjetno ste jih že videli; lahko so pritrjeni ali premični in vključujejo vrv ali kabel, navit okoli vrtljivega krožnega diska, ki ima utor ali druga sredstva, ki preprečujejo drsenje kabla vstran.

Glavna prednost jermenice ni v tem, da poveča MA, ki pri preprostih jermenicah ostane na vrednosti 1; to je, da lahko spremeni smer uporabljene sile. To morda ne bi bilo pomembno, če gravitacije ne bi bilo v mešanici, ker pa je, tako rekoč vsak človeški inženirski problem vključuje boj ali njegovo izkoriščanje na nek način.

Škripec lahko s sorazmerno lahkoto dvignete težke predmete, tako da omogočite uporabo sile v isti smeri, ko gravitacija deluje - s potegom navzdol. V takih situacijah lahko z dvigovanjem obremenitve uporabite tudi lastno telesno maso.

Kot smo že omenili, ker vse, kar naredi preprost jermenica, spreminja smer sile, njegova uporabnost v resničnem svetu, čeprav znatna, ni največja. Namesto tega lahko za množenje uporabljenih sil uporabimo sisteme več jermenic z različnimi polmeri. To se naredi s preprostim dejanjem, saj je potrebno več vrvi_jaz pade, ko d naraste za fiksno vrednost W.

Ko ima en jermen v verigi večji polmer od tistega, ki mu sledi, to ustvari mehansko prednost v tem paru, ki je sorazmerna z razliko v vrednosti polmerov. Dolga vrsta takih jermenic, imenovana asestavljeni škripec, lahko premikate zelo težke tovore - samo prinesite veliko vrvi!

Zaboj nedavno prispelih učbenikov fizike, težkih 3.000 N, dvigne pristanik, ki s silo 200 N potegne na vrvi jermenice. Kakšna je mehanska prednost sistema?

Ta težava je res tako preprosta, kot se zdi;F_o/ F_jaz​ = 3,000/200 = ​15.0.Bistvo je ponazoriti, kako izjemni in močni izumi so resnično preprosti stroji, kljub svoji starodavnosti in pomanjkanju elektronskih bleščic.

Privoščite si lahko spletne kalkulatorje, ki vam omogočajo eksperimentiranje z različnimi vložki glede na vrste vzvodov, relativne dolžine roke roke, konfiguracije jermenic in še več, tako da lahko pridobite praktičen občutek, kako številke v teh vrstah težave igrajo. Primer tako priročnega orodja najdete v virih.