Sisu
- Töö, energia ja jõud
- Lihtsate masinate põhivahendid
- Mehaaniline eelis
- Tutvustame kangi
- Kangide klassid
- Füsioloogilised ja anatoomilised hoovad
- Kangi prooviprobleem
- Mehaaniline eelis: rihmaratas
- Ühendrihm
- Rihmaproovi probleem
- Mehaanilise eelise kalkulaator
Kui keegi palub teil kaaluda mõistet a masin 21. sajandil on see virtuaalne, arvestades, et mis tahes pilt teile meelde tuleb, hõlmab elektroonikat (nt midagi, mis sisaldab digitaalseid komponente) või vähemalt midagi, mida toidab elektrienergia.
Kui te pole näiteks 19. sajandi Ameerika läänepoolse laienemise fänn Vaikse ookeani suunas, võite mõelda veduri aurumasinast, mis toona rongide jõul liikus - ja kujutas tollal tõelist inseneri imet.
Reaalsuses, lihtsad masinad on eksisteerinud sadu ja mõnel juhul tuhandeid aastaid ning ükski neist ei vaja kõrgtehnoloogilist kokkupanekut ega toidet väljaspool seda, mida neid kasutav inimene või inimesed suudavad varustada. Nende erinevat tüüpi lihtsate masinate eesmärk on sama: genereerida täiendavaid jõud kulul kaugus mingil kujul (ja võib-olla natuke aega ka, aga see on ju vingumine).
Kui see teile kõlab nagu võlukunst, siis ilmselt sellepärast, et ajate jõuga segadusse energia, seotud kogus. Kuid kuigi on tõsi, et energiat ei saa süsteemis "luua", välja arvatud muud energiavormid, ei kehti see jõu kohta ning selle lihtsal põhjusel on teid veel oodata.
Töö, energia ja jõud
Enne, kui objekte teiste objektide maailmas liikumiseks kasutatakse, on hea omada põhiterminoloogia käsitlemist.
17. sajandil alustas Isaac Newton revolutsioonilist tööd füüsikas ja matemaatikas, mille üheks kulminatsiooniks oli Newton, tutvustades oma kolme põhilist liikumisseadust. Neist teine väidab, et võrk jõud toimib masside kiirendamiseks või muutmiseks: Fvõrk = ma.
Kui jõud liigutab objekti läbi nihke d, töö väidetavalt on seda objekti tehtud:
W = F ⋅ d.
Töö väärtus on positiivne, kui jõud ja nihe on ühesuunalised, ja negatiivne, kui see on teises suunas. Tööl on sama ühik kui energial, arvestil (seda nimetatakse ka džauliks).
Energia on mateeria omadus, mis avaldub mitmel moel, nii liikuval kui ka "puhke" kujul, ja mis on oluline, et see on suletud süsteemides konserveeritud samal viisil, nagu jõud ja hoog (mass korda kiirust) on füüsikas.
Lihtsate masinate põhivahendid
On selge, et inimesed peavad asju liigutama, sageli pikki vahemaid. Kasulik on hoida vahemaad kõrgel, kuid jõudu - mis nõuab inimjõudu, mis oli veel industriaaleelsel ajal silmatorkavam - kuidagi madalal hoida. Töövõrrand näib seda võimaldavat; antud tööhulga puhul ei tohiks olla oluline, millised on F ja d individuaalsed väärtused.
Nagu juhtub, on see lihtsate masinate taga olev põhimõte, ehkki sageli mitte vahemakse muutmise maksimeerimise ideega. Kõik kuus klassikalist tüüpi ( kang, plokk, Ratas ja telg, kaldu lennuk, kiil ja kruvi) kasutatakse rakendatava jõu vähendamiseks vahemaa hinnaga, et sama töö ära teha.
Mehaaniline eelis
Mõiste "mehaaniline eelis" on võib-olla ahvatlevam, kui see peaks olema, kuna peaaegu näib viitavat sellele, et füüsikasüsteemid saavad mängida rohkem tööd ilma vastava energia sisendita. (Kuna tööl on energiaühikuid ja energia on suletud süsteemides konserveeritud, peab töö tegemisel selle suurus olema võrdne energiaga, mis pannakse ükskõik millisesse liikumisse.) Kahjuks see pole nii, kuid mehaaniline eelis (MA) pakub endiselt mõnda suurepärast lohutusauhinda.
Praegu kaaluge kahte vastandlikku jõudu F1 ja F2 tegutsedes ümber pöördepunkti, mida nimetatakse a toetuspunkt. See kogus, pöördemoment, arvutatakse lihtsalt jõu suuruse ja suunaga, mis on korrutatud kaugusega L toetuspunktist, mida nimetatakse kangivars: T = F* L*. Kui jõud F1 ja F2 peavad olema tasakaalus, T1 peab suurusjärgus olema võrdne T2või
F1L1 = F2L2.
Sellest võib ka kirjutada F2/ F1 = L1/ L2. Kui F1 on sisendjõud (teie, keegi teine või mõni muu masin või energiaallikas) ja F2 on väljundjõud (mida nimetatakse ka koormuseks või takistuseks), siis mida suurem on F2 ja F1 suhe, seda suurem on süsteemi mehaaniline eelis, kuna suhteliselt vähe sisendjõudu kasutades tekib rohkem väljundjõudu.
Suhe F2/ F1, või võib-olla eelistatavalt Fo/ Fi, on MA võrrand. Sissejuhatavates probleemides nimetatakse seda tavaliselt ideaalseks mehaaniliseks eeliseks (IMA), kuna hõõrdumise ja õhutõmbe mõju eiratakse.
Tutvustame kangi
Ülaltoodud teabe põhjal teate nüüd, millest põhikang koosneb: a toetuspunkt, an sisendjõud ja a koormus. Hoolimata sellisest paljaste luude paigutusest, tuleb inimtööstuse hoobasid silmapaistvalt mitmekesiste esitlustena. Tõenäoliselt teate, et kui kasutate kangide riba liikumiseks midagi, mis pakub vähe muid võimalusi, siis kasutasite kangi. Kuid kui klaverit mängisite või tavalist küüntefreeside komplekti kasutasite, kasutati ka kangi.
Kangid saab nende füüsilise paigutuse osas "virnastada" nii, et nende individuaalsed mehaanilised eelised on süsteemi jaoks tervikuna veelgi suuremad. Seda süsteemi nimetatakse liithoovaks (ja sellel on partner rihmaratta maailmas, nagu näete).
Just see lihtsate masinate mitmekordistav aspekt, nii üksikute kangide ja rihmarataste sees kui ka erinevate masinate vahel kombineeritult, teeb lihtsatest masinatest väärt peavalu, mida need aeg-ajalt põhjustada võivad.
Kangide klassid
A esimese astme kang on täiskomplekt jõu ja koormuse vahel. Näide on "näe-nägi"kooli mänguväljakul.
A teise astme kang - ühes otsas on tugipunkt ja teises - jõud, koormus on vahepeal. käru on klassikaline näide.
A kolmanda astme kang, nagu teise astme kangil, on ühes otsas tugipunkt. Kuid sel juhul on koormus teises otsas ja jõud rakendatakse kuskil vahepeal. Selle kangi klassi esindavad paljud spordivahendid, näiteks pesapallikurikad.
Kangide mehaanilise eelisega saab reaalses maailmas manipuleerida sellise süsteemi kolme vajaliku elemendi strateegiliste paigutustega.
Füsioloogilised ja anatoomilised hoovad
Teie keha on koormatud koostoimega kangidega. Üks näide on biitsep. See lihas kinnitub küünarvarrele küünarnuki ("toetuspunkti") ja käe kantava koormuse vahelises punktis. See muudab biitsepi kolmanda astme kangiks.
Vähem enesestmõistetavalt võib öelda, et jalas olev vasika lihas ja Achilleuse kõõlus toimivad koos teistsuguse hoovana. Edasi kõndides töötab teie jala pall tugipunktina. Lihas ja kõõlused avaldavad jõudu ülespoole ja ettepoole, vastupidiselt teie kehakaalule. See on näide teise astme kangist, nagu käru.
Kangi prooviprobleem
Väga jäiga, kuid väga kerge terasvarda otsa asetseb auto, mille mass on 1000 kg või 2220 naela (kaal: 9800 N) ja mille tugipunkt on asetatud auto massikeskusest 5 m kaugusele. 5- kg (110 naela) massiga inimene ütleb, et suudab auto kaalu ise tasakaalustada, seistes varda teises otsas, mida saab horisontaalselt nii kaua pikendada, kui vaja. Kui kaugel ta peab selle saavutamiseks olema?
Jõudude tasakaal eeldab, et F1L1 = F2L2, kus F1 = (50 kg) (9,8 m / s2) = 490 N, F2 = 9,800 N ja L2 = 5. Seega L1 = (9800) (5) / (490) = 100 m (natuke kauem kui jalgpalliväljak).
Mehaaniline eelis: rihmaratas
Rihmaratas on omamoodi lihtne masin, mida nagu ka teisi on tuhandeid aastaid kasutatud erinevates vormides. Sa oled neid ilmselt näinud; need võivad olla fikseeritud või teisaldatavad ning hõlmavad köie või kaabli, mis on keritud ümber pöörleva ümmarguse ketta, millel on soon või muu vahend kaabli külgsuunalise libisemise hoidmiseks.
Rihma peamine eelis pole see, et see võimendab MA, mis jääb lihtsate rihmarataste väärtuseks 1; see on see, et see võib muuta rakendatava jõu suunda. See ei pruugi omada suurt tähtsust, kui segu koostises on raskusjõud, kuid kuna tegemist on praktiliselt iga inimese inseneriprobleemiga, võitlemine või selle mingil viisil võimendamine.
Rihmaratast saab kasutada raskete esemete suhteliselt kergeks tõstmiseks, võimaldades samal suunal jõudu rakendada raskusjõu mõjusid - alla tõmmates. Sellistes olukordades saate koormuse tõstmiseks kasutada ka oma kehamassi.
Ühendrihm
Nagu märgitud, muudab lihtsa rihmaratta abil ainult jõu suunda, kuid selle kasulikkus reaalses maailmas pole maksimaalne. Selle asemel saab rakendatud jõudude korrutamiseks kasutada erineva raadiusega mitme rihmarattaga süsteeme. Seda tehakse lihtsa toimingu abil, mis muudab vajalikuks rohkem köisi, kuna Fi langeb, kui d tõuseb fikseeritud väärtuse W korral.
Kui ühe ahela rihmaratta raadius on suurem kui sellele järgneval, loob see selles paaris mehaanilise eelise, mis on võrdeline raadiuste väärtuse erinevusega. Selliste rihmarataste pikk massiiv, mida nimetatakse a kombineeritud rihmaratas, võib liikuda väga rasketel koormustel - tooge lihtsalt palju köit!
Rihmaproovi probleem
Hiljuti saabunud füüsikaraamatute kasti, mis kaalub 3000 N, tõstab dokitöötaja, kes tõmbab 200 N jõuga rihmarattale. Mis on süsteemi mehaaniline eelis?
See probleem on tõesti nii lihtne, kui ta välja näeb; Fo/ Fi = 3,000/200 = 15.0. Asi on illustreerida, millised tähelepanuväärsed ja võimsad leiutised lihtsad masinad vaatamata antiigile ja elektroonilise sära puudumisele tegelikult on.
Mehaanilise eelise kalkulaator
Saate end võrgukalkulaatoritega ravida, mis võimaldavad teil katsetada rohkesti erinevaid sisendeid kangi tüüpide, hoova-käe suhteliste pikkuste, rihmaratta konfiguratsioonide ja muu osas, et saaksite praktiliselt tunnetada, kuidas sedalaadi probleemide arvud sobivad. mängima. Sellise käepärase tööriista näite leiate allikast.