Съдържание
- Работа, енергия и сила
- Основи на прости машини
- Механично предимство
- Представяне на лоста
- Класове на лостовете
- Физиологични и анатомични лостове
- Проблем с пробата на лоста
- Механично предимство: ролка
- Съставната шайба
- Проблем с шайба
- Механичен калкулатор за предимство
Когато някой ви помоли да разгледате концепцията за a машина през 21-ви век, това е виртуална, като се има предвид, че каквото и изображение да прескочи в ума ви, включва електроника (напр. всичко с цифрови компоненти) или поне нещо захранвано от електричество.
Ако не сте фен на, да речем, американската експанзия на запад от 19 век към Тихия океан, може да се сетите за локомотивната парна машина, която задвижваше влакове в онези дни - и представляваше истинско чудо на техниката по онова време.
В действителност, прости машини съществуват стотици, а в някои случаи хиляди години, и никой от тях не изисква високотехнологичен монтаж или мощност извън това, което може да достави човекът или хората, които ги използват. Целта на тези различни видове прости машини е една и съща: да генерират допълнителни сила за сметка на разстояние под някаква форма (и може би и малко време, но и това е странно).
Ако това ви звучи като магия, вероятно защото сте объркали сила енергия, свързано количество. Но макар да е вярно, че енергията не може да бъде „създадена“ в система, освен от други форми на енергия, същото не е вярно със сила и простата причина за това и още повече ви очаква.
Работа, енергия и сила
Преди да посочите как обектите се използват за преместване на други обекти в света, добре е да имате дръжка по основна терминология.
През 17 век Исак Нютон започва революционната си работа по физика и математика, една кулминация на която е Нютон, въвеждайки трите си основни закона на движение. Вторият от тях гласи, че нет сила действа за ускоряване или промяна на скоростта на масите: Fнето = mа.
Когато сила движи обект през изместване d, работа се казва, че е направено по този обект:
W = F ⋅ d.
Стойността на работата е положителна, когато силата и изместването са в една и съща посока, и отрицателна, когато е в другата посока. Работата има същата единица като енергията, измервателната (наричана още джаула).
Енергията е свойство на материята, което се проявява по много начини, както в движещи се, така и в "почиващи" форми, и което е важно, тя се запазва в затворени системи по същия начин, по който силата и инерцията (скоростта на масата) са във физиката.
Основи на прости машини
Ясно е, че хората трябва да движат нещата, често на големи разстояния. Полезно е да можем да поддържаме дистанция висока, но все пак сила - която изисква човешка сила, която беше още по-ярка в прединдустриалните времена - някак ниска. Изглежда, че уравнението на работата позволява това; за даден обем работа не трябва да има значение какви са индивидуалните стойности на F и d.
Както се случва, това е принципът зад прости машини, въпреки че често не е с идеята за увеличаване на променливата на разстоянието. Всичките шест класически типа (the лост, на ролка, the колело и ос, the наклонена равнина, the клин и на винт) се използват за намаляване на приложената сила с цената на разстоянието, за да се извърши същото количество работа.
Механично предимство
Терминът "механично предимство" е може би по-привлекателен, отколкото би трябвало да бъде, тъй като почти изглежда предполага, че физическите системи могат да бъдат играни, за да извлекат повече работа без съответно влагане на енергия. (Тъй като работата има единици енергия и енергията се запазва в затворени системи, когато работата се извършва, нейната величина трябва да се равнява на енергията, пусната във всяко движение.) За съжаление това не е така, но механично предимство (MA) все още предлага награди за фина утеха.
За сега помислете за две противоположни сили F1 и F2 действащи около точка на въртене, наречена a опорна точка, Това количество, въртящ момент, се изчислява просто като величината и посоката на силата, умножена по разстоянието L от опорната точка, известна като лост за рамо: T = F* L*. Ако силите F1 и F2 трябва да бъдат в баланс, т1 трябва да бъде равен по величина на т2, или
F1L1 = F2L2.
Това също може да се напише F2/ F1 = L1/ L2, Ако F1 е входна сила (вие, някой друг или друга машина или източник на енергия) и F2 е изходна сила (нарича се също натоварване или съпротивление), тогава колкото по-високо е съотношението F2 към F1, толкова по-високо е механичното предимство на системата, тъй като повече изходна сила се генерира, използвайки сравнително малко входна сила.
Съотношението F2/ F1, или може би за предпочитане Fо/ Fаз, е уравнението за МА. Във въвеждащите проблеми обикновено се нарича идеално механично предимство (IMA), тъй като ефектите от триенето и влаченето на въздуха се игнорират.
Представяне на лоста
От горната информация вече знаете от какво се състои основен лост: a опорна точка, един входна сила и a натоварване, Въпреки тази подредба с голи кости, лостовете в човешката индустрия се предлагат в изключително разнообразни презентации. Вероятно знаете, че ако използвате шпионска лента, за да преместите нещо, което предлага малко други опции, вие сте използвали лост. Но вие също сте използвали лост, когато сте свирили на пиано или сте използвали стандартен набор за подстригване на нокти.
Лостовете могат да бъдат "подредени" по отношение на физическото им разположение по такъв начин, че техните индивидуални механични предимства да се обобщят до нещо още по-голямо за системата като цяло. Тази система се нарича сложен лост (и има партньор в света на шайбите, както ще видите).
Именно този мултипликативен аспект на прости машини, както в отделни лостове и шайби, така и между различни в сложно разположение, прави тези прости машини, които си струват всякакви главоболия, които понякога могат да причинят.
Класове на лостовете
А лост от първи ред има опорна точка между силата и товара. Пример е „люлея"на училищна площадка.
А лост от втори ред има опорната точка в единия край и силата в другия, с натоварването между тях. Най- ръчна количка е класическият пример.
А лост от трети ред, подобно на лост от втори ред, има опорната точка в единия си край. Но в този случай натоварването е от другия край и силата се прилага някъде между тях. Много спортни уреди, като бейзболни бухалки, представляват този клас лостове.
Механичното предимство на лостовете може да се манипулира в реалния свят със стратегически разположения на трите необходими елементи на всяка такава система.
Физиологични и анатомични лостове
Тялото ви е натоварено с взаимодействащи лостове. Един пример е бицепсът. Този мускул се прикрепя към предмишницата в точка между лакътя ("опорна точка") и каквото и да е натоварване се поема от ръката. Това прави бицепса лост от трети ред.
По-малко очевидно може би телешкият мускул и ахилесовото сухожилие в крака ви действат заедно като различен вид лост. Докато вървите и се търкаляте напред, топката на крака ви действа като опорна точка. Мускулът и сухожилията упражняват сила нагоре и напред, противодействайки на телесното ви тегло. Това е пример за лост от втори ред, като количка.
Проблем с пробата на лоста
Автомобил с маса от 1000 кг или 2,204 фунта (тегло: 9 800 N) е кацнал в края на много твърда, но много лека стоманена пръчка, с опорна точка, поставена на 5 м от центъра на масата на колата. Човек с маса от 5 кг (110 фунта) казва, че може да уравновеси теглото на колата, като застане на другия край на пръта, който може да бъде удължен хоризонтално толкова дълго, колкото е необходимо. Колко далеч от опорната точка трябва да бъде тя, за да постигне това?
Съотношението на силите изисква F1L1 = F2L2, където F1 = (50 кг) (9.8 m / s2) = 490 N, F2 = 9 800 N и L2 = 5. Така L1 = (9800) (5) / (490) = 100 м (малко по-дълго от футболно игрище).
Механично предимство: ролка
Макарата е вид проста машина, която, подобно на другите, се използва в различни форми от хиляди години. Вероятно сте ги виждали; те могат да бъдат неподвижни или подвижни и да включват въже или кабел, навити около въртящ се кръгъл диск, който има жлеб или други средства за предпазване на кабела от подхлъзване настрани.
Основното предимство на макарата не е, че тя усилва МА, което остава при стойността 1 за обикновените шайби; е, че може да промени посоката на приложена сила. Това може да не е от значение, ако гравитацията не е била в сместа, но тъй като това е, почти всеки човешки проблем с инженеринга включва борба или оползотворяване по някакъв начин.
Шкива може да се използва за повдигане на тежки предмети с относителна лекота, като прави възможно прилагането на сила в същата посока, гравитационните действия - чрез издърпване надолу. В такива ситуации можете да използвате и собствената си телесна маса, за да помогнете за повишаване на натоварването.
Съставната шайба
Както беше отбелязано, тъй като всичко, което обикновената шайба прави е промяна на посоката на силата, нейната полезност в реалния свят, макар и значителна, не се увеличава максимално. Вместо това могат да се използват системи от множество шайби с различни радиуси за умножаване на приложените сили. Това става чрез простия акт за извършване на повече въже, което е необходимо, тъй като Fаз пада, когато d нараства за фиксирана стойност на W.
Когато една ролка във верига от тях има по-голям радиус от този, който я следва, това създава механично предимство в тази двойка, което е пропорционално на разликата в стойността на радиусите. Дълъг масив от такива макари, наречени a съставна шайба, може да придвижва много тежки товари - просто носете много въже!
Проблем с шайба
Щайга на наскоро пристигнали книги по физика с тегло 3 000 N се повдига от работник на дока, който дърпа със сила 200 N върху въже от ролка. Какво е механичното предимство на системата?
Този проблем наистина е толкова прост, колкото изглежда; Fо/ Fаз = 3,000/200 = 15.0. Въпросът е да се илюстрира какви забележителни и мощни изобретения са прости машини, въпреки древността им и липсата на електронен блясък.
Механичен калкулатор за предимство
Можете да се погрижите за онлайн калкулатори, които ви позволяват да експериментирате с множество различни входове по отношение на видове лостове, относителни дължини на ръчката, конфигурации на макарата и други, за да можете да придобиете практически усет за това как числата при тези проблеми играят. Пример за такъв удобен инструмент можете да намерите в Resources.