Tartalom
- Munka, energia és erő
- Az egyszerű gépek alapjai
- Mechanikai előny
- Bemutatjuk a kart
- Karok osztályai
- Élettani és anatómiai karok
- Kar mintával kapcsolatos probléma
- Mechanikai előny: Csiga
- Az összetett csiga
- Csigaminta-probléma
- Mechanikus előny számológép
Amikor valaki kéri, hogy vegye fontolóra az a fogalmát gép a 21. században ez egy virtuális, tekintve, hogy bármi kép jut eszébe, az elektronikát (például bármit, ami digitális alkatrészekkel tartalmaz), vagy legalább valamit, amelyet áram hajt.
Ennek elmulasztása esetén, ha szerelmese vagy például a 19. századi amerikai nyugati irányú expanziónak a Csendes-óceán felé, akkor gondolhat egy olyan mozdony gőzgépre, amely akkoriban vonatokat hajtott végre - és akkoriban valódi műszaki csodát képviselt.
A valóságban, egyszerű gépek századokon és néhány esetben több ezer évig léteznek, és egyikük sem igényel csúcstechnikai szerelést vagy áramot, azon kívül, amelyet az őket használó személy vagy emberek képesek ellátni. A különféle egyszerű gépek célja ugyanaz: kiegészítő generálása Kényszerítés rovására távolság valamilyen formában (és talán egy kis idővel is, de az nem kavarog).
Ha ez varázslatnak hangzik számodra, valószínűleg azért van, mert összekeverik az erővel energia, egy kapcsolódó mennyiség. De bár igaz, hogy az energiát nem lehet "létrehozni" egy rendszerben, kivéve az energia más formáit, ugyanez nem igaz az erőre, és ennek egyszerű oka vár rád.
Munka, energia és erő
Mielőtt hozzáfűzné, hogy az objektumok hogyan mozgatják más tárgyakat a világon, érdemes megismerni az alapvető terminológiát.
Isaac Newton a 17. században kezdte meg forradalmi fizikai és matematikai munkáját, amelynek egyik csúcspontja Newton volt, amely bemutatta a három alapvető mozgás törvényét. Ezek közül a második azt állítja, hogy egy hálózat Kényszerítés gyorsítja vagy megváltoztatja a tömegeket: Fháló = megy.
Amikor egy erő mozgatja egy tárgyat egy elmozduláson keresztül d, munka állítólag erre az objektumra került sor:
W = F ⋅ d.
A munka értéke pozitív, ha az erő és az elmozdulás ugyanabban az irányban van, és negatív, ha a másik irányban van. A munka ugyanazon egységgel rendelkezik, mint az energia, a mérő (más néven joule).
Az energia az anyag olyan tulajdonsága, amely sokféle módon nyilvánul meg, mind mozgó, mind "pihenő" formában, és ami fontos, hogy zárt rendszerekben konzerválódik, ugyanúgy, mint az erő és a lendület (tömeg és sebesség) a fizikában.
Az egyszerű gépek alapjai
Nyilvánvaló, hogy az embereknek mozgatniuk kell a dolgokat, gyakran nagy távolságokat. Hasznos, ha képes a távolságot magasan tartani, mégis az erőt - amely emberi erőt igényel, ami az ipar előtti időkben még inkább szemmel láthatóan volt - valahogy alacsony. A munkaegyenlet úgy tűnik, hogy lehetővé teszi ezt; egy adott munkamennyiségnél nem számít, hogy mi az F és d egyéni értéke.
Ahogy ez megtörténik, ez az elv az egyszerű gépek mögött, bár gyakran nem azzal a céllal, hogy a távolságváltozót maximalizálják. Mind a hat klasszikus típus ( kar, a csiga, a kerék és tengely, a ferde sík, a ék és a csavar) az alkalmazott erő csökkentésére szolgál a távolság költségein, hogy ugyanannyi munkát végezzenek.
Mechanikai előny
A "mechanikai előny" kifejezés talán sokkal vonzóbb, mint amilyennek lennie kellene, mivel úgy tűnik, hogy szinte azt sugallja, hogy a fizikai rendszerek meg tudnak játszani, hogy több energiát nyerjenek megfelelő energiájuk nélkül. (Mivel a munka egységekkel rendelkezik energiával, és az energiát zárt rendszerekben takarítják meg, amikor elvégzik a munkát, annak nagyságának meg kell egyeznie az energiával, amelyet bármilyen mozgás bekövetkezik.) Sajnos nem ez a helyzet, de mechanikai előny (MA) továbbra is kínál néhány jó vigaszdíjat.
Most fontolja meg két ellentétes erő F1 és F2 egy forgópont körül jár, úgynevezett a támaszpont. Ez a mennyiség, forgatónyomaték, egyszerűen úgy számítják ki, mint az erő nagysága és iránya, szorozva az L távolsággal a támasztótesttől, az úgynevezett emelőkar: T = F* L*. Ha az erők F1 és F2 egyensúlyban kell lennie, T1 méretének nagyságrendűnek kell lennie T2vagy
F1L1 = F2L2.
Ezt is meg lehet írni F2/ F1 = L1/ L2. Ha F1 az a bemeneti erő (Ön, valaki más, vagy más gép vagy energiaforrás) és F2 az a kimeneti erő (amelyet terhelésnek vagy ellenállásnak is neveznek), akkor minél nagyobb az F2 és az F1 arány, annál nagyobb a rendszer mechanikai előnye, mivel viszonylag kis bemeneti erővel több kimeneti erőt generálnak.
Az arány F2/ F1, vagy talán lehetőleg Fo/ Fén, az MA egyenlete. Bevezető problémák esetén általában ideális mechanikai előnynek (IMA) nevezik, mivel a súrlódás és a levegő húzódásának hatásait figyelmen kívül hagyják.
Bemutatjuk a kart
A fenti információk alapján most már tudja, hogy az alapkar áll: a támaszpont, egy bemeneti erő és a Betöltés. Ennek a csupasz csontok elrendezése ellenére az emberi iparágban mutatkozó karok rendkívül változatos bemutatókkal érkeznek. Valószínűleg tudja, hogy ha pry sávot használ valami olyan lehetőség mozgatásához, amely néhány más lehetőséget kínál, akkor használta a kart. De egy zárószerkezetet is használtál, amikor zongorázott, vagy egy szokásos körömvágót használt.
A karok "egymásra rakhatók" fizikai elrendezésük szempontjából oly módon, hogy egyedi mechanikai előnyeik az egész rendszer számára még nagyobb értéket jelentenek. Ezt a rendszert vegyes karnak nevezzük (és van egy partnere a szíjtárcsa világában is, amint láthatja).
Az egyszerű gépeknek ez a multiplikatív aspektusa, mind az egyes karokon és a szíjtárcsákon belül, mind a különféle gépek között összetett elrendezésben teszi az egyszerű gépeket olyan fejfájásokra, amelyek időnként előfordulhatnak.
Karok osztályai
A elsőrendű kar a görbület az erő és a terhelés között van. Példa egy "hintázik"egy iskolai játszótéren.
A másodrendű kar egyik végén van a holtteste, a másikban pedig az erő, a terhelés között. A talicska a klasszikus példa.
A harmadik rendű kar, mint a második rendű karnak, az egyik végén a támaszpont van. De ebben az esetben a terhelés a másik végén van, és az erőt valahol a kettő között alkalmazzák. Sok sportszer, például baseball ütő, képviseli ezt a karosztályt.
A karok mechanikus előnye a valós világban manipulálható az ilyen rendszerek három szükséges elemének stratégiai elhelyezésével.
Élettani és anatómiai karok
A teste tele van kölcsönhatásba lépő karokkal. Az egyik példa a bicepsz. Ez az izom az alkarhoz kapcsolódik egy ponton, amely a könyök (a "merevülés") és a kezét terheli. Ez a bicepsz harmadik rendű karjává teszi.
Kevésbé magától értetődőnek tűnik, hogy a lábában lévő borjúizom és Achilles-inak másfajta karként működnek együtt. Amint sétálsz és előre gördítesz, a lábad gördülési pontjaként viselkedik. Az izom és az inak felfelé és előre hajtanak erőt, ellentétesen a testsúlyával. Ez egy példa egy másodrendű karra, mint például egy talicska.
Kar mintával kapcsolatos probléma
Egy nagyon merev, de nagyon könnyű acélrúd végén egy 1000 kg vagy 2,204 font (tömeg: 9800 N) tömegű kocsi ül fel, a lengőtesttel 5 méterre az autó tömegközéppontjától. Az 5 kg (110 lb) tömegű személy azt mondja, hogy önmagában ellensúlyozhatja az autó súlyát, amikor a rúd másik végén áll, amelyet vízszintesen meg lehet hosszabbítani, ameddig csak szükséges. Milyen távolságra kell lennie ennek eléréséhez?
Az erõk egyensúlyához szükséges F1L1 = F2L2, ahol F1 = (50 kg) (9,8 m / s2) = 490 N, F2 = 9,800 N, és L2 = 5. Így L1 = (9800) (5) / (490) = 100 m (kissé hosszabb, mint egy futballpálya).
Mechanikai előny: Csiga
A szíjtárcsa egyfajta egyszerű gép, amelyet a többiekhez hasonlóan évezredek óta használnak különféle formákban. Valószínűleg látta őket; rögzíthetők vagy mozgathatók, és tartalmazhatnak egy kötelet vagy kábelt, amely egy forgó kör alakú korong körül van feltekerve, amelynek van hornyája vagy más eszköze a kábel oldalsó csúszásának megakadályozására.
A szíjtárcsa fő előnye nem az, hogy növeli az MA-t, amely az egyszerű szíjtárcsáknál 1-nél marad; az, hogy megváltoztathatja az alkalmazott erő irányát. Lehet, hogy nem igazán számít, ha a gravitáció a keverékben rejlik, hanem azért, mert gyakorlatilag minden emberi mérnöki probléma magában foglalja annak harcát vagy valamilyen módon történő kiaknázását.
Csiga segítségével nehéz tárgyakat viszonylag könnyedén lehet megemelni azáltal, hogy lehetővé teszik az erő irányítását ugyanabba az irányba a gravitációs hatások révén - lefelé húzva. Ilyen esetekben saját testtömegét is felhasználhatja a terhelés növelésére.
Az összetett csiga
Mint már megjegyeztük, mivel egy egyszerű szíjtárcsa megváltoztatja az erő irányát, annak valódi hasznossága, bár jelentős, mégsem maximális. Ehelyett több, különböző sugárú tárcsarendszer használható az alkalmazott erők megsokszorozására. Ez az egyszerű cselekvés révén történik, amely szerint még több kötél szükséges, mivel Fén esik, amikor d növekszik egy W rögzített értéknél.
Ha egy láncon lévő egyik szíjtárcsa nagyobb sugara van, mint az azt követő, ez egy mechanikai előnyt teremt ebben a párban, amely arányos a sugarak értékének különbségével. Az ilyen szíjtárcsák hosszú sorozata, úgynevezett a vegyes szíjtárcsa, nagyon nehéz terheket mozgathat - csak hozhat rengeteg kötéllel!
Csigaminta-probléma
A nemrégiben megérkezett, 3000 N súlyú fizikai könyvek ládaját egy dokkoló dolgozó emeli, aki 200 N erővel húzza meg a szíjtáru kötélen. Mi a rendszer mechanikai előnye?
Ez a probléma valóban olyan egyszerű, ahogy néz ki; Fo/ Fén = 3,000/200 = 15.0. A lényeg az, hogy bemutassuk, milyen figyelemreméltó és hatalmas találmányok az egyszerű gépek, ókortól és az elektronikus fény hiánya ellenére is.
Mechanikus előny számológép
Kényezteti magát online számológépekkel, amelyek lehetővé teszik a sokféle bemenet kipróbálását a kar típusa, a kar-kar relatív hossza, a szíjtárcsa konfigurációja és más szempontból, így gyakorlati tapasztalatokat szerezhet arról, hogy az ilyen jellegű problémákban milyen számok vannak. játék. Egy ilyen praktikus eszköz példája megtalálható a forrásokban.