Шків не використовує паливо та електроенергію, і він не працює самостійно, але все одно це машина. Не машина, як слово визначається словником Merriam-Webster, але машина, як інженери визначають слово: "Прості машини - це пристрої, які можна використовувати для множення або збільшення сили, яку ми застосовуємо — часто за рахунок відстані, через яку ми застосовуємо силу ".
Кожна машина має механічну перевагу
У список простих машин входять предмети, якими люди користуються щодня, наприклад, молотки, викрутки та дверні ручки. Всі ці знаряддя належать до однієї з шести класичних категорій простих машин. Категорії:
- Колесо і вісь
- Шків
- Важіль
- Похила площина
- Гвинт
- Клин
Деякі вчені розглядають гвинт і клин як особливі типи похилих площин, що зменшує список до чотирьох записів. Ви навіть можете розглядати шків як особливий випадок колеса та осі і зменшити список до трьох пунктів. Незалежно від того, скільки предметів у списку, шків кваліфікується як машина.
Відношення вихідної сили машини до сили, яку ви до неї застосовуєте, відоме як сила машини
механічна перевага (MA). Щоб машина була машиною, вихідна сила повинна бути більшою за вхідну силу, а це означає, що механічна перевага завжди повинна бути більшою за 1. Чим більше механічна перевага, тим менше сили потрібно вкладати в машину, щоб вона працювала.Механічні переваги системи шківів
Ви можете розрахувати механічну перевагу шківної системи, розрахувавши силу, необхідну для підняття вантажу на певну висоту без шківа (вихідна сила, FО), а потім розрахувати зусилля, необхідне для цього з шківом (вхідна сила FЯ). Механічною перевагою є відношення вихідної сили до вхідної сили: MA = FО/ ЖЯ. Чим менше вхідна сила по відношенню до вихідної сили, тим більша механічна перевага.
Для простої шківної системи розрахунок її механічної переваги смішно простий. Ви просто порахуєте кількість мотузок, які підтримують навантаження.
Коли ви дізнаєтесь про механічну перевагу, ви можете розрахувати силу, необхідну для підняття відомої ваги. Сила і вага означають одне і те ж, тому, розрахувавши механічну перевагу, ви зможете з’ясувати зменшення навантаження на шків.
Щоб отримати механічну перевагу, потрібно натягнути більше мотузки
«Чекай, - кажеш ти. "Звідки ви знаєте, що механічна перевага дорівнює кількості мотузок?" Щоб відповісти на це запитання, потрібно знати що робота є, а не той вид роботи, який ви виконуєте на своїй роботі від 9 до 5.
Що стосується фізиків, ви працюєте (W), застосовуючи силу (F) на відстань (d). Ви обчислюєте роботу, помноживши силу на відстань:
Ш = Ж • д.
Робота пов’язана з енергією, і оскільки одним з найбільш фундаментальних законів природи є те, що енергія завжди зберігається, робота повинна бути збережена. Якщо зусилля, прикладене до шківної системи, менше сили, необхідної для підйому вантажу, щось повинно змінитися, щоб обсяг виконаної роботи дорівнював обсягу роботи, необхідної для підйому вантажу.
Величина, яка змінюється, - це відстань. Ви застосовуєте меншу силу для підняття вантажу, коли використовуєте систему шківів, але вам потрібно натягнути більше мотузки, щоб підняти вантаж на певну висоту. Якщо у вас система подвійних шківів, вам доведеться натягнути вдвічі більше мотузки; в системі потрійних шківів потрібно витягнути втричі більше тощо. Насправді, для будь-якої шківної системи ви можете розрахувати кількість додаткового канату, який вам потрібно натягнути, підрахувавши кількість мотузок, що підтримують навантаження.
Зменшення ваги, сили та навантаження шківа
Вага та сила - це не різні величини. Вага предмета - це не що інше, як сила, що діє на нього силою тяжіння, тому, коли ви піднімаєте предмет, ви повинні докласти силу, рівну силі тяжіння. Якщо у вас одна система шківів, шків дозволяє вам тягнути мотузку вниз, а не вгору, що, безумовно, простіше, але сили, яку ти докладаєш все ще дорівнює вага вантажу ти піднімаєш.
Якщо додати шків нижче першого, обмотати мотузку навколо обох шківів і підвісити вантаж з другого шківа, навантаження тепер підтримується двома мотузками. Отже, механічна перевага цієї нової, вдосконаленої системи шківів становить 2, і це означає, що вам потрібно лише докласти зусиль сила, рівна половині ваги вантажу щоб підняти його. Підвішіть третій шків до першого, прокрутіть мотузку так, щоб три мотузки підвішували вантаж, а сила, яку ви повинні докласти, щоб підняти вантаж, складає лише третину його ваги.
Можна сказати, загалом, що зменшення навантаження на шків є зворотною величиною кількості канатів, що підтримують навантаження, але небагато практичних шківних систем мають більше чотирьох канатів. Отже, максимальне зменшення навантаження на шків, яке ви можете реалізувати, становить одну чверть ваги вантажу. Насправді фактичне зниження навантаження трохи менше цього, оскільки потрібно враховувати тертя шківів.
Приклад калькулятора ваги шківа
Припустимо, ви можете підняти 200-кілограмову людину самостійно, але це межа ваших здібностей до важкої атлетики. Не могли б ви розробити систему шківів, щоб підняти автомобіль вагою 2000 фунтів? Можливо, не тому, що навіть чотириколісна система зменшила б вагу лише на чверть, а це все одно 500 фунтів.
Припустимо, ви могли б скомпонувати пару шківних систем і змусити друга, такого ж сильного, як ви, витягнути одну з них. У вас все ще будуть проблеми, але ви могли б це зробити, оскільки кожен шків піднімав би половину ваги або 1000 фунтів, а чверть цієї ваги - 250 фунтів. Якби ви додали до роботи третій шків та третю особу, кожна людина мала б лише прикласти 167 фунтів сили, що цілком під силу, тому ця система могла б працювати легко.
Калькулятор ваги шківа не залежить від того, яка вага підніметься першою під час натягування мотузки, тому що якщо одна людина тягне раніше, ніж дві інші, машина не рухається. Всі троє людей повинні тягнути одночасно, щоб правильно розподілити навантаження і рівномірно розподілити вагу між трьома шківами. Коли троє людей працюють одночасно, фактично існує 12 мотузок, що підтримують автомобіль, що робить механічна перевага шківної системи 12 і зменшує чисту силу, необхідну для підйому автомобіля, до 2000 ÷ 12 = 167 фунтів.