ข้อดีของการใช้คันโยกและรอก Pull

เมื่อมีคนขอให้คุณพิจารณาแนวคิดของเครื่องในศตวรรษที่ 21 เป็นเสมือนภาพเสมือนว่าภาพใดก็ตามที่ผุดขึ้นในใจของคุณเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (เช่น อะไรก็ตามที่มีส่วนประกอบดิจิทัล) หรืออย่างน้อยก็เป็นสิ่งที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

ถ้าหากคุณเป็นแฟนพันธุ์แท้ของอเมริกาในศตวรรษที่ 19 ที่ขยายไปสู่มหาสมุทรแปซิฟิก คุณอาจนึกถึง หัวรถจักรไอน้ำที่ขับเคลื่อนรถไฟในสมัยนั้น - และเป็นตัวแทนของความมหัศจรรย์ทางวิศวกรรมที่แท้จริงในขณะนั้น

ในความเป็นจริง,เครื่องง่ายๆมีมาหลายร้อยปีและในบางกรณีเป็นพันปี และไม่มีสิ่งใดที่จำเป็นต้องมีการประกอบหรือพลังงานที่มีเทคโนโลยีสูงนอกเหนือจากที่บุคคลหรือผู้ที่ใช้อุปกรณ์เหล่านี้สามารถจัดหา จุดมุ่งหมายของเครื่องจักรง่าย ๆ ประเภทต่าง ๆ เหล่านี้เหมือนกัน: เพื่อสร้างเพิ่มเติมบังคับโดยค่าใช้จ่ายของระยะทางในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง (และอาจจะเวลาน้อยด้วย แต่นั่นก็เป็นเรื่องไร้สาระ)

ถ้าฟังดูวิเศษสำหรับคุณ อาจเป็นเพราะคุณกำลังสับสนกับพลังพลังงาน,ปริมาณที่เกี่ยวข้อง แต่ในขณะที่มันเป็นเรื่องจริงที่พลังงานไม่สามารถ "สร้าง" ในระบบได้ ยกเว้นจากพลังงานรูปแบบอื่น สิ่งเดียวกันนั้นไม่เป็นความจริงของแรง และเหตุผลง่ายๆ สำหรับสิ่งนี้และอีกมากมายรอคุณอยู่

ก่อนที่จะระบุว่ามีการใช้วัตถุในการเคลื่อนย้ายวัตถุอื่น ๆ ในโลกอย่างไร ควรมีการจัดการเกี่ยวกับคำศัพท์พื้นฐาน

ในศตวรรษที่ 17 ไอแซก นิวตันเริ่มงานปฏิวัติในสาขาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ จุดสุดยอดอย่างหนึ่งคือนิวตันแนะนำกฎการเคลื่อนที่พื้นฐานสามข้อของเขา ที่สองของเหล่านี้ระบุว่า netบังคับทำหน้าที่เร่งหรือเปลี่ยนความเร็วของมวล:F_{สุทธิ}= ม​.

• จะแสดงให้เห็นได้ว่าในระบบปิดที่สมดุล(กล่าวคือ เมื่อความเร็วของสิ่งใดๆ ที่เกิดขึ้นกับการเคลื่อนที่ไม่เปลี่ยนแปลง) ผลรวมของแรงและแรงบิดทั้งหมด (แรงที่ใช้กับแกนหมุน) จะเป็นศูนย์

เมื่อแรงเคลื่อนวัตถุผ่านการกระจัด dงานว่ากันว่าได้ทำบนวัตถุนั้น:

มูลค่าของงานจะเป็นบวกเมื่อแรงและการกระจัดอยู่ในทิศทางเดียวกัน และเป็นค่าลบเมื่อไปในอีกทิศทางหนึ่ง งานมีหน่วยเดียวกับพลังงาน มิเตอร์ (เรียกอีกอย่างว่าจูล)

พลังงานเป็นสมบัติของสสารที่แสดงออกหลายทาง ทั้งในรูปแบบการเคลื่อนที่และการ "พัก" และ ที่สำคัญอนุรักษ์ในระบบปิดในลักษณะเดียวกับแรงและโมเมนตัม (มวลคูณความเร็ว) ในวิชาฟิสิกส์

เห็นได้ชัดว่ามนุษย์จำเป็นต้องเคลื่อนย้ายสิ่งของซึ่งมักจะต้องเดินทางไกล เป็นประโยชน์ที่จะรักษาระยะห่างไว้สูงแต่ต้องใช้กำลัง ซึ่งต้องใช้กำลังคน ซึ่งยิ่งดูเด่นขึ้นในสมัยก่อนอุตสาหกรรม - อย่างต่ำ สมการการทำงานดูเหมือนจะยอมให้สิ่งนี้เกิดขึ้น สำหรับปริมาณงานที่กำหนด ไม่สำคัญว่าค่าส่วนบุคคลของ F และ d คืออะไร

เมื่อมันเกิดขึ้น นี่คือหลักการที่อยู่เบื้องหลังเครื่องจักรอย่างง่าย แม้ว่ามักจะไม่ใช่ด้วยแนวคิดในการเพิ่มตัวแปรระยะทางให้สูงสุด ทั้งหกประเภทคลาสสิก (theคันโยก,ลูกรอก, ที่ล้อและเพลา, ที่ระนาบเอียง, ที่ลิ่มและสกรู) ใช้เพื่อลดแรงกระทำที่ต้นทุนระยะทางในการทำงานเท่าเดิม

คำว่า "ความได้เปรียบทางกล" อาจดูมีเสน่ห์มากกว่าที่ควรจะเป็น เนื่องจากดูเหมือนว่าเกือบจะบอกเป็นนัยว่าระบบฟิสิกส์สามารถเล่นเกมเพื่อดึงงานออกมาได้มากขึ้นโดยไม่ต้องป้อนพลังงานที่สอดคล้องกัน (เพราะงานมีหน่วยของพลังงานและพลังงานถูกสงวนไว้ในระบบปิด เมื่องานเสร็จ ขนาดต้องเท่ากับพลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนไหวใดๆ ที่เกิดขึ้น) น่าเศร้า ที่นี่ไม่ใช่กรณี แต่ความได้เปรียบทางกล (MA)ยังคงมีรางวัลปลอบใจที่ดีอยู่บ้าง

สำหรับตอนนี้ ให้พิจารณาสองกองกำลังที่เป็นปฏิปักษ์ F₁ และ F₂ กระทำต่อจุดหมุนที่เรียกว่า aศูนย์กลาง. ปริมาณนี้แรงบิดคำนวณง่ายๆ ว่าขนาดและทิศทางของแรงคูณด้วยระยะห่าง L จากจุดศูนย์กลาง หรือที่เรียกว่าแขนคันโยก​: ​T = F​​หลี่. ถ้าแรงF₁ และ F₂ จะต้องอยู่ในสมดุลตู่₁ต้องมีขนาดเท่ากับตู่₂, หรือ

นอกจากนี้ยังสามารถเขียนได้F₂/F₁ = หลี่₁/หลี่₂. ถ้า F₁ คือแรงป้อน(คุณ คนอื่น หรือเครื่องจักรหรือแหล่งพลังงานอื่น) และ F₂ คือกำลังขับ(เรียกอีกอย่างว่าโหลดหรือความต้านทาน) ยิ่งอัตราส่วน F2 ต่อ F1 สูงเท่าใด. ก็จะยิ่งสูงขึ้น ความได้เปรียบทางกลของระบบ เนื่องจากกำลังส่งออกมากขึ้นโดยใช้ค่าค่อนข้างน้อย แรงป้อนเข้า

วิทยุF₂/F₁,หรือบางทีอาจจะดีกว่าF_o/F_ผม,คือสมการของ MA ในปัญหาเบื้องต้น มักเรียกว่าความได้เปรียบทางกลในอุดมคติ (IMA) เนื่องจากจะไม่สนใจผลกระทบของแรงเสียดทานและแรงต้านของอากาศ

จากข้อมูลข้างต้น ตอนนี้คุณทราบแล้วว่าคันโยกพื้นฐานประกอบด้วยอะไร: aศูนย์กลาง,อันแรงป้อนและโหลด. แม้จะมีการจัดวางแบบไร้กระดูก แต่คันโยกในอุตสาหกรรมของมนุษย์ก็มีการนำเสนอที่หลากหลายอย่างน่าทึ่ง คุณอาจรู้ว่าถ้าคุณใช้แถบแงะเพื่อเคลื่อนย้ายสิ่งของที่มีตัวเลือกอื่นๆ เล็กน้อย แสดงว่าคุณได้ใช้คันโยก แต่คุณยังใช้คันโยกเมื่อคุณเล่นเปียโนหรือใช้ชุดกรรไกรตัดเล็บมาตรฐาน

คันโยกสามารถ "ซ้อน" ได้ในแง่ของการจัดวางทางกายภาพในลักษณะดังกล่าว เพื่อให้ข้อดีทางกลของแต่ละคนรวมเข้ากับบางสิ่งที่ยิ่งใหญ่กว่าสำหรับระบบโดยรวม ระบบนี้เรียกว่าคันโยกผสม (และมีคู่หูในโลกของรอกดังที่คุณเห็น)

มันเป็นลักษณะการทวีคูณของเครื่องจักรธรรมดา ๆ ทั้งภายในคันโยกและรอกแต่ละตัวและระหว่าง ที่แตกต่างกันในการจัดเรียงแบบผสมที่ทำให้เครื่องจักรง่าย ๆ คุ้มค่ากับการปวดหัวที่พวกเขาอาจ ทำให้เกิดเป็นบางครั้ง

อาคันโยกอันดับหนึ่งมีจุดศูนย์กลางระหว่างแรงกับโหลด ตัวอย่างคือ "กระดานหก" บนสนามเด็กเล่นของโรงเรียน

อาคันโยกอันดับสองมีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งและมีแรงอยู่อีกด้านหนึ่ง โดยมีภาระอยู่ระหว่างรถสาลี่เป็นตัวอย่างคลาสสิก

อาคันโยกอันดับสาม,เหมือนคันโยกอันดับสอง มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง แต่ในกรณีนี้ ภาระอยู่ที่ปลายอีกด้านและแรงจะถูกกระทำที่ใดที่หนึ่งในระหว่างนั้น อุปกรณ์กีฬาหลายอย่าง เช่น ไม้เบสบอล เป็นตัวแทนของคันโยกประเภทนี้

ความได้เปรียบทางกลของคันโยกสามารถจัดการได้ในโลกแห่งความเป็นจริงด้วยการวางตำแหน่งเชิงกลยุทธ์ขององค์ประกอบที่จำเป็นสามประการของระบบดังกล่าว

ร่างกายของคุณเต็มไปด้วยคันโยกโต้ตอบ ตัวอย่างหนึ่งคือลูกหนู กล้ามเนื้อนี้ยึดติดกับปลายแขนที่จุดระหว่างข้อศอก ("ศูนย์กลาง") กับน้ำหนักใดๆ ก็ตามที่มือแบกรับ สิ่งนี้ทำให้ลูกหนูเป็นคันโยกอันดับสาม

กล้ามเนื้อน่องและเอ็นร้อยหวายในเท้าอาจทำงานร่วมกันในลักษณะที่แตกต่างกันออกไป ในขณะที่คุณเดินและม้วนตัวไปข้างหน้า ปลายเท้าของคุณจะทำหน้าที่เป็นศูนย์กลาง กล้ามเนื้อและเส้นเอ็นออกแรงขึ้นและไปข้างหน้าเพื่อต่อต้านน้ำหนักตัวของคุณ นี่คือตัวอย่างคันโยกอันดับสอง เช่น รถสาลี่

รถยนต์ที่มีมวล 1,000 กก. หรือ 2,204 ปอนด์ (น้ำหนัก: 9,800 นิวตัน) ติดอยู่ที่ปลายแท่งเหล็กที่แข็งแรงมากแต่น้ำหนักเบามาก โดยมีจุดศูนย์กลางอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางมวลรถ 5 เมตร คนที่มีมวล 5-กก. (110 ปอนด์) บอกว่าเธอสามารถถ่วงน้ำหนักของรถได้ด้วยตัวเอง โดยยืนอยู่ที่ปลายอีกด้านของไม้เรียวซึ่งสามารถยืดในแนวนอนได้นานเท่าที่ จำเป็น เธอต้องอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางมากแค่ไหนจึงจะบรรลุเป้าหมายนี้ได้?

ความสมดุลของแรงต้องการให้F₁หลี่₁ = F₂หลี่₂โดยที่ F1 = (50 กก.)(9.8 ม./วินาที²) = 490 N, F₂ = 9.800 N และ L2 = 5. ดังนั้น L1 = (9800)(5)/(490) =100 เมตร(ยาวกว่าสนามบอลนิดหน่อย)

รอกเป็นเครื่องจักรธรรมดาชนิดหนึ่งที่มีการใช้งานในรูปแบบต่างๆ เป็นเวลาหลายพันปี เช่นเดียวกับเครื่องอื่นๆ คุณอาจเคยเห็นพวกเขา พวกเขาสามารถยึดหรือเคลื่อนย้ายได้ และรวมถึงเชือกหรือสายเคเบิลที่พันรอบจานกลมที่หมุนอยู่ ซึ่งมีร่องหรือวิธีอื่นๆ ในการป้องกันไม่ให้สายเลื่อนไปด้านข้าง

ข้อได้เปรียบหลักของรอกไม่ใช่การเพิ่ม MA ซึ่งยังคงอยู่ที่ค่า 1 สำหรับรอกธรรมดา ก็คือมันสามารถเปลี่ยนทิศทางของแรงที่กระทำได้ สิ่งนี้อาจไม่สำคัญมากนักหากแรงโน้มถ่วงไม่อยู่ในส่วนผสม แต่เนื่องจากมันเป็น ปัญหาด้านวิศวกรรมของมนุษย์แทบทุกปัญหาเกี่ยวข้องกับการต่อสู้หรือใช้ประโยชน์จากมันในทางใดทางหนึ่ง

สามารถใช้รอกเพื่อยกของหนักได้ค่อนข้างง่าย โดยทำให้สามารถใช้แรงในทิศทางเดียวกับแรงโน้มถ่วงได้ โดยการดึงลง ในสถานการณ์เช่นนี้ คุณสามารถใช้มวลกายของคุณเองเพื่อช่วยเพิ่มน้ำหนักได้

ดังที่กล่าวไว้ เนื่องจากรอกแบบธรรมดาทั้งหมดทำคือเปลี่ยนทิศทางของแรง การใช้งานจริงในโลกแห่งความเป็นจริงนั้นไม่ได้ถูกขยายให้ใหญ่สุด ระบบของรอกหลายตัวที่มีรัศมีต่างกันสามารถใช้เพื่อเพิ่มแรงกระทำได้ ทำได้โดยการทำเชือกให้จำเป็นมากขึ้น เนื่องจาก F_ผม ลดลงเมื่อ d เพิ่มขึ้นสำหรับค่าคงที่ของ W

เมื่อรอกตัวหนึ่งในสายโซ่ของพวกมันมีรัศมีที่ใหญ่กว่ารอกที่ตามหลัง มันจะสร้างความได้เปรียบทางกลในคู่นี้ซึ่งเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างในมูลค่าของรัศมี รอกชนิดยาวดังกล่าวเรียกว่า aลูกรอกผสม, บรรทุกของหนักมากได้ - แค่นำเชือกมาเยอะๆ!

ลังของหนังสือเรียนฟิสิกส์ที่เพิ่งมาถึงซึ่งมีน้ำหนัก 3,000 นิวตันถูกยกขึ้นโดยคนงานท่าเรือ ซึ่งดึงด้วยแรง 200 นิวตันบนเชือกรอก ข้อได้เปรียบทางกลของระบบคืออะไร?

ปัญหานี้ง่ายอย่างที่คิดF_o/F_ผม​ = 3,000/200 = ​15.0.ประเด็นคือเพื่อแสดงให้เห็นว่าสิ่งประดิษฐ์อันน่าทึ่งและทรงพลังของเครื่องจักรง่าย ๆ เป็นอย่างไร ถึงแม้ว่าพวกเขาจะโบราณและขาดความลุ่มหลงทางอิเล็กทรอนิกส์ก็ตาม

คุณสามารถให้รางวัลตัวเองด้วยเครื่องคิดเลขออนไลน์ที่ให้คุณทดลองกับอินพุตต่างๆ มากมายในแง่ของประเภทคันโยก ความยาวของแขนก้านบังคับ การกำหนดค่ารอก และอื่นๆ เพื่อให้คุณได้สัมผัสถึงตัวเลขในรูปแบบต่างๆ เหล่านี้ ปัญหาในการเล่น ตัวอย่างของเครื่องมือที่มีประโยชน์ดังกล่าวสามารถพบได้ในแหล่งข้อมูล