Prednosti uporabe ročic in jermenic

Vsebina

• Delo, energija in sila
• Osnove preprostih strojev
• Mehanska prednost
• Predstavljamo ročico
• Razredi vzvodov
• Fiziološke in anatomske ročice
• Problem z vzvodom ročice
• Mehanska prednost: Jermenica
• Škripec
• Problem s škripcem
• Mehanski kalkulator prednosti

Ko vas nekdo vpraša, da razmislite o konceptu a stroj v 21. stoletju je to virtualno, glede na to, da karkoli slike poskoči, vključuje elektroniko (npr. vse z digitalnimi komponentami) ali vsaj nekaj, kar poganja elektrika.

Če ne ljubite, recimo, ameriške širitve zahoda proti Tihemu oceanu 19. stoletja na zahod, lahko pomislite na parni motor, ki je v tistih časih poganjal vlake, in je predstavljal pravo čudež tehnik v tistem času.

V resnici preprosti stroji obstajajo na stotine in v nekaterih primerih na tisoče let in noben od njih ne zahteva visokotehnološke montaže ali moči zunaj tistega, kar lahko zagotovi oseba ali ljudje, ki jih uporabljajo. Cilj teh različnih vrst preprostih strojev je enak: ustvariti dodatne silo na račun razdalja v nekakšni obliki (in morda tudi malo časa, ampak to je prepir).

Če se vam to sliši kot čarobno, je to verjetno zato, ker zmešate silo energija, sorodna količina. A čeprav je res, da energije ni mogoče "ustvariti" v sistemu, razen iz drugih oblik energije, isto ne velja za silo, in preprost razlog za to vas čaka še več.

Delo, energija in sila

Preden označite, kako se predmeti uporabljajo za premikanje drugih predmetov po svetu, je dobro imeti ročaj na osnovni terminologiji.

V 17. stoletju je Isaac Newton začel revolucionarno delo v fiziki in matematiki, katerega vrhunec je bil Newton, ki je predstavil svoje tri temeljne zakonitosti gibanja. Drugi od teh navaja, da je neto silo deluje za pospeševanje ali spreminjanje hitrosti mase: F_mreža = ma.

Ko sila premika predmet skozi premik d, delati naj bi bilo storjeno na tem predmetu:

W = F ⋅ d.

Vrednost dela je pozitivna, kadar sta sila in premik v isti smeri, in negativna, ko gre v drugo smer. Delo ima enako enoto kot števec energije (imenuje se tudi joule).

Energija je lastnost materije, ki se kaže na več načinov, tako v premikajočih kot v počivajočih oblikah, in kar je pomembno, ohranja se v zaprtih sistemih na enak način, kot sta v fiziki sila in zagon (masna kratica hitrosti).

Osnove preprostih strojev

Jasno je, da morajo ljudje premikati stvari, pogosto na velike razdalje. Koristno je, da lahko vzdržujemo visoko razdaljo, vendar silo - ki zahteva človeško moč, ki je bila še toliko bolj odmevna v predindustrijskih časih - nekako nizko. Zdi se, da to omogoča enačba dela; pri določeni količini dela ne bi smelo biti pomembno, kakšni sta posamezni vrednosti F in d.

Kakor se že zgodi, to je načelo, ki stoji za preprostimi stroji, čeprav pogosto ne z idejo o čim večji spremenljivki razdalje. Vseh šest klasičnih vrst (the vzvod, the škripec, the kolo in os, the nagnjena ravnina, the klin in vijak) se uporabljajo za zmanjšanje uporabljene sile na stroške razdalje, da opravijo enako količino dela.

Mehanska prednost

Izraz "mehanska prednost" je morda bolj vabljiv, kot bi moral biti, saj se zdi, da skorajda nakazuje, da je mogoče fizikalne sisteme igrati za pridobivanje več dela brez ustreznega vložka energije. (Ker ima delo enote energije in je energija ohranjena v zaprtih sistemih, mora biti po njegovem obsegu enaka energiji, dani v vsako gibanje.) Na žalost to ni tako, toda mehanska prednost (MA) še vedno ponuja nekaj lepih utešnih nagrad.

Za zdaj razmislite o dveh nasprotnih silah F₁ in F₂ deluje okoli vrtilne točke, imenovane a žarišče. Ta količina, navora, izračunamo preprosto kot velikost in smer sile, pomnožene z razdaljo L od vrha, znano kot ročica ročice: T = F* L*. Če so sile F₁ in F₂ biti v ravnovesju, T₁ mora biti po velikosti enaka 1 T₂ali

F₁L₁ = F₂L₂.

To se lahko tudi napiše F₂/ Ž₁ = L₁/ L₂. Če F₁ ali je vhodna sila (vi, nekdo drug ali drug stroj ali vir energije) in F₂ ali je izhodna sila (imenovano tudi obremenitev ali upor), potem višje kot je razmerje F2 proti F1, večja je mehanska prednost sistema, ker se s pomočjo sorazmerno majhne vhodne sile ustvari več izhodne sile.

Razmerje F₂/ Ž₁, ali morda prednostno F_o/ Ž_jaz, je enačba za MA. V uvodnih težavah se običajno imenuje idealna mehanska prednost (IMA), saj se učinki trenja in povleka zraka ne upoštevajo.

Predstavljamo ročico

Iz zgornjih informacij zdaj veste, iz česa je sestavljen osnovni vzvod: a žarišče, an vhodna sila in a obremenitev. Kljub tej ureditvi golih kosti so ročice v človeški industriji zelo raznolike. Verjetno veste, da če uporabite premični drog za premikanje nečesa, kar ponuja malo drugih možnosti, ste uporabili ročico. Vendar ste uporabljali tudi vzvod, ko ste igrali klavir ali uporabljali standardni set ščipalk za nohte.

Ročice lahko glede na njihovo fizično razporeditev "zložimo" tako, da njihove individualne mehanske prednosti seštevajo za nekaj še večjega za sistem kot celoto. Ta sistem se imenuje sestavljena ročica (in ima partnerja v svetu škripca, kot boste videli).

Prav zaradi tega multiplikativnega vidika preprostih strojev, tako znotraj posameznih ročic kot škripcev kot med različnimi v sestavljeni postavitvi, so enostavni stroji vredni ne glede na glavobole.

Razredi vzvodov

A vzvod prvega reda ima vrzel med silo in obremenitvijo. Primer je "glej-videl"na šolskem igrišču.

A vzvod drugega reda ima konico na enem koncu in silo na drugem, s tovorom vmes. The samokolnica je klasičen primer.

A ročica tretjega reda, podobno kot ročica drugega reda ima na enem koncu konico. Toda v tem primeru je obremenitev na drugem koncu in sila deluje nekje vmes. Številni športni pripomočki, kot so baseball palice, predstavljajo ta razred vzvodov.

Mehansko prednost vzvodov lahko v resničnem svetu manipuliramo s strateškimi namestitvami treh potrebnih elementov katerega koli takega sistema.

Fiziološke in anatomske ročice

Vaše telo je obremenjeno z interaktivnimi vzvodi. En primer je bicep. Ta mišica se pritrdi na podlaket v točki med komolcem ("žariščem") in ne glede na to, kakšna obremenitev nosi roka. Zaradi tega je bicep ročica tretjega reda.

Manj samoumevno je, da telična mišica in Ahilova tetiva v nogi delujeta skupaj kot drugačna ročica. Ko hodite in se valjate naprej, žogica stopala deluje kot osrednja točka. Mišice in kite izvajajo silo navzgor in naprej, kar vpliva na telesno težo. To je primer vzvoda drugega reda, kot je samokolnica.

Problem z vzvodom ročice

Avtomobil z maso 1.000 kg ali 2.204 funtov (teža: 9.800 N) je postavljen na koncu zelo toge, a zelo lahke jeklene palice, ki je postavljena v globino 5 m od središča mase avtomobila. Oseba z maso 5- kg (110 funtov) pravi, da lahko sama uravnovesi težo avtomobila tako, da stoji na drugem koncu palice, ki se lahko vodoravno raztegne toliko časa, kot je potrebno. Kako daleč mora biti dosežena točka, da to doseže?

Za ravnotežje sil je potrebna 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).

Mehanska prednost: Jermenica

Škripec je nekakšen preprost stroj, ki je, tako kot drugi, že tisoč let uporabljen v različnih oblikah. Verjetno ste jih videli; so lahko pritrjeni ali premični in vključujejo vrv ali kabel, ki je navit okoli vrtečega se krožnega diska, ki ima utor ali druga sredstva za preprečevanje zdrsa kabla.

Glavna prednost jermenice ni v tem, da poveča MA, kar ostane pri vrednosti 1 za preproste škripce; je, da lahko spremeni smer uporabljene sile. To morda ne bi imelo velikega pomena, če gravitacija ne bi bila v mešanici, ampak ker gre pri tem, da skoraj vsak človeški inženirski problem vključuje boj ali ga na nek način ublaži.

Škripec lahko z relativno enostavno dvigovanjem težkih predmetov omogočite uporabo sile v isti smeri gravitacijskih dejanj - s potegom navzdol. V takih situacijah lahko s svojo lastno telesno maso uporabite tudi za dvig bremena.

Škripec

Kot rečeno, ker vse preprost škripec spreminja smer sile, njegova uporabnost v resničnem svetu ni velika. Namesto tega se za pomnožitev uporabljenih sil lahko uporabljajo sistemi več škripcev z različnimi polmeri. To se naredi s preprostim dejanjem, da je potrebno več vrvi, saj je F_jaz pade kot d narašča za fiksno vrednost W.

Kadar ima en jermen v verigi z njimi večji polmer od tistega, ki mu sledi, to ustvarja mehansko prednost v tem paru, ki je sorazmerna z razliko vrednosti polmerov. Dolg niz takšnih škripcev, imenovan a sestavni škripec, lahko premikate zelo težke obremenitve - samo prinesite veliko vrvi!

Problem s škripcem

Zaboj nedavno prispelih knjig fizike, ki tehtajo 3 000 N, dvigne delavec pristanišča, ki se s silo 200 N vleče na vrv za škripec. Kakšna je mehanska prednost sistema?

Ta težava je res tako preprosta, kot je videti; F_o/ Ž_jaz = 3,000/200 = 15.0. Bistvo je ponazoriti, kakšni izjemni in močni izumi so resnično preprosti stroji, kljub svoji antiki in pomanjkanju elektronskih bleščic.

Mehanski kalkulator prednosti

Privoščite si spletne kalkulatorje, ki vam omogočajo, da eksperimentirate z veliko različnimi vhodi glede na vrste vzvodov, relativne dolžine ročic, konfiguracije škripca in še več, tako da lahko pridobite praktičen občutek o številu teh težav predvajati. Primer tako priročnega orodja je na voljo v virih.