Предности употребе полуга и ременица

Када вас неко пита да размотрите концепт амашинау 21. веку то је виртуелно с обзиром на то да каква год вам слика ускочи у главу укључује електронику (нпр. било шта са дигиталним компонентама) или бар нешто што се напаја електричном енергијом.

Ако то не успете, ако сте љубитељ, рецимо, америчке експанзије на запад ка Тихом океану из 19. века, можда ћете помислити на парна машина локомотива која је покретала возове у то време - и представљала је право чудо технике у то време.

У стварности,једноставне машинепостоје стотинама, а у неким случајевима и хиљадама година, и ниједном од њих није потребан високотехнолошки склоп или снага изван онога што особа или људи који их користе могу пружити. Циљ ових различитих врста једноставних машина је исти: генерисати додатнесилана рачунудаљеносту неком облику (а можда и мало времена, такође, али то је трзавица).

Ако вам то звучи магично, то је вероватно зато што мешате силу саенергија,сродна количина. Али иако је тачно да се енергија не може „створити“ у систему осим из других облика енергије, то не важи и за силу, а очекује вас једноставан разлог за ово и још више.

Пре него што се позабавите начином на који се објекти користе за померање других предмета по свету, добро је да се позабавите основном терминологијом.

У 17. веку Исак Њутн започео је свој револуционарни рад у физици и математици, чији је врхунац био Њутн уводећи своја три основна закона кретања. Други од ових наводи да је нетосиладелује на убрзавање или промену брзине маса:Ф_нето= ма​.

• Може се показати да у затвореном систему наравнотежа(тј. тамо где се брзина било чега што се случајно креће не мења), збир свих сила и обртних момената (сила примењених око осе ротације) су нула.

Када сила помера објекат кроз померање д,радитикаже се да је урађено на том објекту:

Вредност рада је позитивна када су сила и померање у истом смеру, а негативна када је у другом смеру. Рад има исту јединицу као и енергија, мерач (који се назива и џул).

Енергија је својство материје које се манифестује на много начина, како у покретном, тако и у „мирујућем“ облику, и што је важно, она се у затвореним системима чува на исти начин на који су сила и импулс (маса помножена са брзином) у физици.

Јасно је да људи морају да померају ствари, често на велике раздаљине. Корисно је моћи држати удаљеност високом, а сила - која захтева људску снагу, која је била утолико блиставија у прединдустријско време - некако ниску. Изгледа да једначина рада то омогућава; за дату количину посла не би требало да буде важно које су појединачне вредности Ф и д.

Иначе, ово је принцип који стоји иза једноставних машина, мада често не са идејом да максимализује променљиву удаљеност. Свих шест класичних типова (полуга,тхеременица,точак и осовина,коса раван,клинивијак) користе се за смањење примењене силе по цену раздаљине ради обављања исте количине посла.

Израз „механичка предност“ је можда примамљивији него што би требао бити, јер се готово чини да имплицира да се физички системи могу коцкати да би издвојили више рада без одговарајућег уноса енергије. (Будући да рад има јединице енергије и енергија се чува у затвореним системима, када се посао заврши, његов величина мора бити једнака енергији уложеној у било које кретање.) Нажалост, то није случај, алимеханичка предност (МА)и даље нуди неке лепе утешне награде.

За сада узмите у обзир две супротстављене силе Ф.₁ и Ф.₂ делујући око тачке вешања, названог аупориште. Ова количина,обртни момент, израчунава се једноставно као величина и правац силе помножене са удаљеностом Л од упоришног места, познатим каополуга​: ​Т = Ф.​​Л. Ако снаге Ф.₁ и Ф.₂ да буду у равнотежи,Т.₁мора бити једнака по величиниТ.₂, или

Ово се такође може написатиФ₂/ Ф₁ = Л.₁/ Л₂. Ако је Ф.₁ јеулазна сила(ви, неко други или друга машина или извор енергије) и Ф.₂ јеизлазна сила(такође се назива оптерећење или отпор), тада је већи однос Ф2 према Ф1 механичка предност система, јер се више излазне силе генерише користећи релативно мало улазна сила.

КоефицијентФ₂/ Ф₁,или можда пожељноФ_о/ Ф_и,је једначина за МА. У уводним проблемима обично се назива идеална механичка предност (ИМА) јер се занемарују ефекти трења и ваздушног отпора.

Из горњих информација сада знате од чега се састоји основна полуга: аупориште,анулазна силаи аоптерећење. Упркос овом распореду голих костију, полуге у људској индустрији долазе у изузетно разноликим презентацијама. Вероватно знате да сте користили полугу ако користите помичну траку за померање нечега што нуди неколико других опција. Али користили сте и полугу када сте свирали клавир или сте користили стандардни сет шкара за нокте.

Полуге се могу „наслагати“ у смислу њиховог физичког распореда на такав начин да се њихове појединачне механичке предности збрајају у нешто још веће за систем у целини. Овај систем се назива сложена полуга (и као што ћете видети, има партнера у ременици).

То је овај мултипликативни аспект једноставних машина, како унутар појединачних полуга и ременица, тако и између њих различите у сложеном аранжману, због чега једноставне машине вреде било какве главобоље повремено узрок.

А.полуга првог редаима упориште између силе и терета. Пример је „види-види“на школском игралишту.

А.полуга другог редаима упориште на једном крају и силу на другом, са оптерећењем између. Тхеколицаје класичан пример.

А.полуга трећег реда,попут полуге другог реда, има упориште на једном крају. Али у овом случају, оптерећење је на другом крају и сила се примењује негде између. Многи спортски реквизити, попут бејзбол палица, представљају ову класу полуга.

Механичком предношћу полуга може се манипулисати у стварном свету стратешким постављањем три неопходна елемента било ког таквог система.

Ваше тело је оптерећено полугама за интеракцију. Један пример је бицеп. Овај мишић се прикачи за подлактицу у тачки између лакта („ослонац“) и било ког терета који сноси рука. Ово чини бицеп полугом трећег реда.

Мање само по себи разумљиво, телећи мишић и Ахилова тетива у стопалу делују заједно као друга врста полуге. Док ходате и котрљате се напред, лопта стопала делује као упориште. Мишић и тетиве делују према горе и унапред, супротстављајући се вашој телесној тежини. Ово је пример полуге другог реда, попут колица.

Аутомобил масе 1.000 кг или 2.204 лб (тежина: 9.800 Н) налази се на крају врло круте, али врло лагане челичне шипке, са упоришном тачком постављеном на 5 м од центра масе аутомобила. Особа масе 5 кг (110 лб) каже да сама може да уравнотежи тежину аутомобила стојећи на другом крају штапа, који се може хоризонтално продужавати онолико дуго колико је потребно. Колико она мора бити удаљена од упоришта да би то постигла?

Однос сила захтева да Ф.₁Л₁ = Ф.₂Л₂, где је Ф1 = (50 кг) (9,8 м / с²) = 490 Н, Ф.₂ = 9.800 Н, а Л2 = 5. Тако је Л1 = (9800) (5) / (490) =100 м(мало дуже од фудбалског терена).

Колотур је врста једноставне машине која се, као и остале, користи у разним облицима хиљадама година. Вероватно сте их видели; могу бити фиксне или покретне и укључују уже или кабл намотане око ротирајућег кружног диска, који има жлеб или друга средства за спречавање бочног клизања кабла.

Главна предност ременице није у томе што појачава МА, која остаје на вредности 1 за једноставне ременице; то је да може променити правац примењене силе. Ово можда не би имало пуно значаја да гравитација није у комбинацији, али зато што јесте, практично сваки људски инжењерски проблем укључује борбу или његово коришћење на неки начин.

Колотур се може користити за подизање тешких предмета с релативном лакоћом омогућавајући примену силе у истом смеру гравитационог дејства - повлачењем надоле. У таквим ситуацијама такође можете да користите сопствену телесну масу да бисте повећали оптерећење.

Као што је напоменуто, с обзиром да све што једноставна ременица мења је смер смера силе, њена корисност у стварном свету, иако знатна, није максимизирана. Уместо тога, системи више колотура са различитим радијусима могу се користити за умножавање примењених сила. То се постиже једноставним чином стварања више ужета, јер Ф._и пада како д расте за фиксну вредност В.

Када једна ременица у ланцу од њих има већи радијус од оне која је прати, то ствара механичку предност у овом пару сразмерну разлици у вредности радијуса. Дуг низ таквих ременица, назван асложена ременица, могу да премештају веома тешке терете - само понесите пуно конопа!

Сандук недавно пристиглих уџбеника физике тежине 3.000 Н подиже радник на пристаништу који вуче снагом од 200 Н на ужету ременице. Која је механичка предност система?

Овај проблем је заиста једноставан колико изгледа;Ф_о/ Ф_и​ = 3,000/200 = ​15.0.Поента је да се илуструје какав су изванредни и моћни изуми једноставне машине, упркос својој старини и недостатку електронског блештања, заиста.

Можете се почастити мрежним калкулаторима који вам омогућавају да експериментишете са богатством различитих улаза у погледу типова полуга, релативне дужине крака полуге, конфигурације ременице и још много тога да бисте стекли практични осећај како бројеви у овим врстама проблеми играју. Пример тако корисног алата можете наћи у Ресурсима.