Indhold
- Arbejde, energi og kraft
- Grundlæggende om enkle maskiner
- Mekanisk fordel
- Introduktion af håndtaget
- Klasser af løftestænger
- Fysiologiske og anatomiske niveauer
- Spakeproblem
- Mekanisk fordel: Remskive
- Den sammensatte remskive
- Problemer med remskiveprøve
- Mekanisk fordelberegner
Når nogen beder dig om at overveje begrebet a maskine i det 21. århundrede er det en virtuel, at uanset hvilket billede der springer ind i dit sind involverer elektronik (f.eks. alt med digitale komponenter) eller i det mindste noget, der er drevet af elektricitet.
I mangel af, at hvis du er fan af, for eksempel, amerikansk vestudvidelse fra det 19. århundrede mod Stillehavet, kan du tænke på lokomotivdampmotoren, der drev tog i disse dage - og repræsenterede et ægte vidunderligt teknik på det tidspunkt.
I virkeligheden, enkle maskiner har eksisteret i hundreder og i nogle tilfælde tusinder af år, og ingen af dem kræver højteknologisk samling eller magt uden for hvad personen eller personer, der bruger dem, kan levere. Formålet med disse forskellige typer enkle maskiner er det samme: at generere yderligere kraft på bekostning af afstand i en eller anden form (og måske også lidt tid, men det er snak).
Hvis det lyder som magi for dig, er det sandsynligvis fordi du er forvirrende kraft med energi, en relateret mængde. Men selvom det er sandt, at energi ikke kan "skabes" i et system undtagen fra andre former for energi, er det samme ikke tilfældet med kraft, og den enkle grund til dette og mere venter på dig.
Arbejde, energi og kraft
Før man tager fat på, hvordan objekter bruges til at bevæge andre objekter rundt i verden, er det godt at have et greb om grundlæggende terminologi.
I det 17. århundrede begyndte Isaac Newton sit revolutionerende arbejde inden for fysik og matematik, hvoraf den ene kulmination var Newton, der introducerede hans tre grundlæggende bevægelseslove. Den anden af disse siger, at et net kraft fungerer for at fremskynde eller ændre hastigheden for masser: Fnet = m-en.
Når en kraft bevæger et objekt gennem en forskydning d, arbejde siges at have været gjort på dette objekt:
W = F ⋅ d.
Værdien af arbejde er positiv, når kraften og forskydningen er i samme retning, og negativ, når det er i den anden retning. Arbejde har den samme enhed som energi gør, måleren (også kaldet joule).
Energi er en egenskab ved stof, der manifesterer sig på mange måder, både i bevægende og "hvilende" former, og det er vigtigst, at den bevares i lukkede systemer på samme måde som kraft og momentum (masse gange hastighed) er i fysikken.
Grundlæggende om enkle maskiner
Det er klart, at mennesker er nødt til at flytte ting, ofte lange afstande. Det er nyttigt at være i stand til at holde afstanden høj, men alligevel kraft - som kræver menneskelig magt, som var desto mere lysende i førindustriel tid - på en eller anden måde lav. Arbejdsligningen ser ud til at give mulighed for dette; for en given mængde arbejde skal det ikke være ligegyldigt, hvad de individuelle værdier for F og d er.
Som det sker, er dette princippet bag enkle maskiner, skønt ofte ikke med ideen om at maksimere afstandsvariablen. Alle seks klassiske typer (the håndtag, det remskive, det hjul og aksel, det skråplan, det kile og skrue) bruges til at reducere den anvendte kraft på bekostning af afstanden til at udføre den samme mængde arbejde.
Mekanisk fordel
Udtrykket "mekanisk fordel" er måske mere lokkende end det burde være, da det næsten ser ud til at antyde, at der kan spilles fysiksystemer for at udtrække mere arbejde uden en tilsvarende energiindgang. (Fordi arbejdet har enheder af energi, og energi bevares i lukkede systemer, når arbejdet udføres, skal dets størrelse være lig med den energi, der er lagt i uanset bevægelse, der sker.) Det er desværre ikke tilfældet, men mekanisk fordel (MA) tilbyder stadig nogle fine trøstepræmier.
Overvej nu to modsatte kræfter F1 og F2 handler om et drejepunkt, kaldet a omdrejningspunkt. Denne mængde, drejningsmoment, beregnes simpelthen som størrelsen og retningen af kraften ganget med afstanden L fra hjørnepunktet, kendt som grebarm: T = F* L*. Hvis kræfterne F1 og F2 skal være i balance, T1 skal være lig i størrelse til T2, eller
F1L1 = F2L2.
Dette kan også skrives F2/ F1 = L1/ L2. Hvis F1 er indgangskraft (dig, en anden eller en anden maskine eller energikilde) og F2 er udgangskraft (også kaldet lasten eller modstanden), jo højere er forholdet mellem F2 og F1, jo højere er den mekaniske fordel ved systemet, fordi der genereres mere udgangskraft ved hjælp af relativt lille indgangskraft.
Radioen F2/ F1, eller måske helst Fo/ Fjeg, er ligningen for MA. I introduktionsproblemer kaldes det normalt ideel mekanisk fordel (IMA), fordi virkningerne af friktion og lufttræk ignoreres.
Introduktion af håndtaget
Fra ovennævnte information ved du nu, hvad en basisgreb består af: a omdrejningspunkt, en indgangskraft og a belastning. På trods af denne ordning med bare knogler kommer håndtagene i den menneskelige industri i bemærkelsesværdigt forskellige præsentationer. Du ved sandsynligvis, at hvis du bruger en lirke til at flytte noget, der tilbyder få andre muligheder, har du brugt en håndtag. Men du har også brugt en håndtag, når du spillede klaver eller brugte et standard sæt negleklippere.
Håndtag kan "stables" med hensyn til deres fysiske arrangement på en sådan måde, at deres individuelle mekaniske fordele summerer sig til noget endnu større for systemet som helhed. Dette system kaldes et sammensat håndtag (og har en partner i remskiveverdenen, som du kan se).
Det er dette multiplikative aspekt af enkle maskiner, både inden for individuelle håndgreb og remskiver og mellem forskellige i et sammensat arrangement, der gør enkle maskiner værd, uanset hvilken hovedpine de lejlighedsvis kan forårsage.
Klasser af løftestænger
EN første ordens håndtag har omdrejningspunktet mellem kraft og belastning. Et eksempel er et "se-så"på en skoleplads.
EN andenordens håndtag har omdrejningspunktet i den ene ende og kraften i den anden, med belastningen imellem. Det trillebør er det klassiske eksempel.
EN tredje ordens håndtag ligesom en andenordens håndtag, har hjulet i den ene ende. Men i dette tilfælde er belastningen i den anden ende, og kraften påføres et eller andet sted imellem. Mange sportsredskaber, såsom baseball flagermus, repræsenterer denne klasse af håndtag.
Håndtagets mekaniske fordel kan manipuleres i den virkelige verden med strategiske placeringer af de tre nødvendige elementer i et sådant system.
Fysiologiske og anatomiske niveauer
Din krop er fyldt med vekselvirkende greb. Et eksempel er bicepsen. Denne muskel fastgøres til underarmen på et punkt mellem albuen ("rygstyrken") og uanset hvilken belastning der bæres af hånden. Dette gør bicep'en til en tredje ordens håndtag.
Mindre indlysende, måske, kalvemuskulaturen og akillessenen i din fod fungerer sammen som en anden slags greb. Når du går og ruller fremad, fungerer din fodkugle som et hjul. Muskler og sener udøver kraft opad og fremad og modvirker din kropsvægt. Dette er et eksempel på en andenordens håndtag, som en trillebør.
Spakeproblem
En bil med en masse på 1.000 kg eller 2,204 lb (vægt: 9.800 N) ligger på enden af en meget stiv, men meget let stålstang, med et hjul, der er placeret 5 m fra bilens masse. En person med en masse på 5- kg (110 lb) siger, at hun selv kan modveje vægten af bilen ved at stå på den anden ende af stangen, som kan forlænges vandret så længe det er nødvendigt. Hvor langt fra hjørnepunktet må hun være for at opnå dette?
Balance mellem kræfter kræver, at F1L1 = F2L2hvor F1 = (50 kg) (9,8 m / s2) = 490 N, F2 = 9.800 N og L2 = 5. Således er L1 = (9800) (5) / (490) = 100 m (lidt længere end en fodboldbane).
Mekanisk fordel: Remskive
En remskive er en slags enkel maskine, der ligesom de andre har været i brug i forskellige former i tusinder af år. Du har sandsynligvis set dem; de kan være faste eller bevægelige og inkluderer et reb eller et kabel, der er viklet omkring en roterende cirkulær skive, som har en rille eller andre midler til at holde kablet i at glide sidelæns.
Den største fordel ved en remskive er ikke, at den øger MA, som forbliver på værdien 1 for enkle remskiver; det er, at det kan ændre retningen for en anvendt kraft. Dette betyder måske ikke meget, hvis tyngdekraften ikke er i blandingen, men fordi det er, involverer stort set ethvert menneskeligt ingeniørproblem kæmper eller udnytter det på en eller anden måde.
En remskive kan bruges til at løfte tunge genstande med relativ lethed ved at gøre det muligt at anvende kraft i samme retning, som tyngdekraften virker - ved at trække ned. I sådanne situationer kan du også bruge din egen kropsmasse til at hjælpe med at hæve belastningen.
Den sammensatte remskive
Som bemærket, eftersom alt en simpel remskive gør er at ændre styrkens retning, er dens anvendelighed i den virkelige verden, selvom den er betydelig, ikke maksimeret. I stedet kan systemer med flere remskiver med forskellige radier bruges til at multiplicere anvendte kræfter. Dette gøres gennem den enkle handling at gøre mere reb nødvendigt, da Fjeg falder, når d stiger for en fast værdi af W.
Når en remskive i en kæde af dem har en større radius end den, der følger den, skaber dette en mekanisk fordel i dette par, der er proportional med forskellen i værdien af radierne. En lang række sådanne remskiver, kaldet a sammensat remskive, kan flytte meget tunge belastninger - tag bare masser af reb!
Problemer med remskiveprøve
En kasse med nyligt ankomne fysikbøger, der vejer 3.000 N, løftes af en havnearbejder, der trækker med en styrke på 200 N på et remskive reb. Hvad er den mekaniske fordel ved systemet?
Dette problem er virkelig så enkelt som det ser ud; Fo/ Fjeg = 3,000/200 = 15.0. Pointen er at illustrere, hvilke bemærkelsesværdige og kraftfulde opfindelser enkle maskiner til trods for deres antikhed og mangel på elektronisk glitter virkelig er.
Mekanisk fordelberegner
Du kan forkæle dig selv med online-regnemaskiner, der giver dig mulighed for at eksperimentere med et væld af forskellige input med hensyn til geartyper, relative arm-armlængder, remskivekonfigurationer og mere, så du kan få praktisk fornemmelse for, hvordan tallene i denne slags problemer Spille. Et eksempel på et så praktisk værktøj findes i Ressourcerne.