İçerik
- İş, Enerji ve Güç
- Basit Makinelerin Temelleri
- Mekanik avantaj
- Kolu Tanıtma
- Kaldıraç Sınıfları
- Fizyolojik ve Anatomik Kollar
- Kol Numune Sorunu
- Mekanik Avantaj: Kasnak
- Bileşik Kasnak
- Kasnak Örneği Sorunu
- Mekanik Avantaj Hesaplayıcısı
Birisi sizden bir konseptini düşünmenizi istediğinde makine 21. yüzyılda, aklınıza hangi görüntü akıyorsa, elektronik (örneğin, dijital bileşenlere sahip herhangi bir şey) veya en azından elektrikle çalışan bir şey olduğu için verilen bir sanaldır.
Pasifik Okyanusu'na doğru 19. yüzyıl Amerikan batıya doğru genişlemesinin hayranıysanız, o günlerde trenleri güçlendiren ve o zamanlar gerçek bir mühendislik harikası temsil eden lokomotif buhar motorunu düşünebilirsiniz.
Gerçekte, basit makineler yüzlerce yıldır ve bazı durumlarda binlerce yıl boyunca varlığını sürdürmektedir ve bunların hiçbiri, kullanan kişi veya kişilerin sağlayabileceklerinin dışında yüksek teknolojili montaj veya güç gerektirmemektedir. Bu çeşitli basit makinelerin amacı aynıdır: ek üretmek güç Pahasına mesafe, uzaklık bir biçimde (ve belki de biraz zaman, ama bu titriyor).
Bu sana sihir gibi geliyorsa, bunun nedeni muhtemelen kafa karıştırıcı güçlerin. enerji, ilgili bir miktar. Ancak, enerjinin diğer enerji biçimlerinden başka bir sistemde "yaratılamayacağı" gerçeği doğru olsa da, aynı şey güç için de geçerli değildir ve bunun ve bunun ve bunun daha basit nedeni sizi bekliyor.
İş, Enerji ve Güç
Nesnelerin dünyadaki diğer nesneleri hareket ettirmek için nasıl kullanıldığına bakmadan önce, temel terminolojiyi ele alması iyidir.
17. yüzyılda, Isaac Newton devrimci çalışmalarına fizik ve matematikte başladı, bunlardan biri Newton'un üç temel hareket yasasını getirmesiydi. Bunlardan ikincisi net güç kütlelerin hızını hızlandırmak veya değiştirmek için hareket eder: Fağ = mbir.
Bir kuvvet bir nesneyi bir yer değiştirme boyunca hareket ettirdiğinde, iş bu nesne üzerinde yapıldığı söyleniyor:
W = F ⋅ d.
İşin değeri, kuvvet ve yer değiştirme aynı yönde olduğunda pozitif, diğer yönde ise negatiftir. İş, enerji ile aynı birime sahiptir, metre (aynı zamanda joule de denir).
Enerji hem hareketli hem de “istirahat” formlarında birçok yönden tezahür eden maddenin bir özelliğidir ve daha önemlisi kapalı sistemlerde kuvvet ve momentum (kütle çarpı hızı) fizikte olduğu gibi korunur.
Basit Makinelerin Temelleri
Açıkçası, insanların bir şeyleri, genellikle uzun mesafeleri hareket ettirmeleri gerekir. Endüstri öncesi zamanlarda daha fazla göze çarpan insan gücü gerektiren kuvvet kadar mesafeyi yüksek tutabilmek faydalıdır - bir şekilde düşük. İş denkleminin buna izin verdiği görülüyor; Belirli bir miktar iş için, F ve d'nin bireysel değerlerinin ne olduğu önemli olmamalıdır.
Olduğu gibi, genellikle mesafe değişkenini en üst düzeye çıkarma fikri olmasa da, basit makinelerin arkasındaki prensip budur. Altı klasik tipin tümü ( kaldıraç, kasnak, tekerlek ve dingil, eğik düzlem, kama ve vida) Uygulanan kuvveti, aynı miktarda işi yapmak için gereken mesafedeki maliyeti azaltmak için kullanılır.
Mekanik avantaj
"Mekanik avantaj" terimi, fizik sistemlerinin, karşılık gelen bir enerji girişi olmadan daha fazla iş çıkarmak için oynanabileceğini ima ettiği gibi, olması gerekenden daha çekici olabilir. (İşin enerji birimlerine sahip olduğu ve kapalı sistemlerde enerji tasarrufu yapıldığı için, iş yapıldığı zaman, büyüklüğü ne olursa olsun harekete harcayan enerjiye eşit olmak zorundadır.) Ne yazık ki, durum bu değil, ama mekanik avantaj (MA) hala bazı iyi teselli ödülleri sunuyor.
Şimdilik, iki karşıt güç F düşünün1 ve F2 denilen bir pivot noktasıyla ilgili olarak destek noktası. Bu miktar dönme momentikuvvetin büyüklüğü ve yönü, dayanak noktasından L mesafesi ile çarpılan, manivela: T = F* L*. Eğer kuvvetler f1 ve F2 dengede olmak T1 eşit derecede olmalıdır T2veya
F1L1 = F2L2.
Bu da yazılabilir F2/ F1 = L1/ L2. Eğer f1 o giriş gücü (siz, başkası veya başka bir makine veya enerji kaynağı) ve F2 o çıkış gücü (ayrıca yük veya direnç olarak da adlandırılır), daha sonra F2'nin F1'e oranı arttıkça, sistemin mekanik avantajı artar, çünkü nispeten daha az giriş gücü kullanılarak daha fazla çıkış kuvveti üretilir.
Oran F2/ F1, veya belki de tercihen FÖ/ Fben, MA için denklemdir. Giriş problemlerinde, genellikle sürtünme ve havanın sürüklenmesi etkileri göz ardı edildiğinden ideal mekanik avantaj (IMA) olarak adlandırılır.
Kolu Tanıtma
Yukarıdaki bilgilerden, şimdi temel bir kolun neyi içerdiğini biliyorsunuz: a destek noktası, bir giriş gücü ve bir yük. Bu çıplak kemik düzenlemesine rağmen, insan endüstrisindeki kaldıraçlar oldukça çeşitli sunumlarda bulunmaktadır. Birkaç seçenek sunan bir şeyi hareket ettirmek için bir gözetleme çubuğu kullanırsanız, muhtemelen bir kaldıraç kullandığınızı biliyorsunuzdur. Ama ayrıca piyano çalarken veya standart bir tırnak makası seti kullanırken bir kaldıraç kullandınız.
Kollar fiziksel düzenlemeleri açısından "istiflenebilir", böylece bireysel mekanik avantajları bir bütün olarak sistem için daha da büyük bir şeye toplanır. Bu sisteme bileşik bir kol denir (ve göreceğiniz gibi kasnak dünyasında bir ortak vardır).
Hem bireysel kollar hem de kasnaklar içinde ve farklı olanlar arasında bir bileşik düzende basit makinelerin bu çarpımsal yönüdür;
Kaldıraç Sınıfları
bir birinci derece kol kuvvet ve yük arasında dayanma noktasına sahiptir. Bir örnek bir "see-saw"okul oyun alanında.
bir ikinci derece kol Bir ucunda dayanak, diğer ucunda ise kuvvet, arasında yük varken. el arabası Klasik bir örnektir.
bir üçüncü dereceden kol, ikinci derece bir kol gibi, bir ucunda dayanak vardır. Ancak bu durumda, yük diğer ucundadır ve kuvvet, aralarında bir yere uygulanır. Beyzbol sopaları gibi birçok spor aleti bu kaldıraç sınıfını temsil eder.
Kolların mekanik avantajı, gerçek dünyada böyle bir sistemin gerekli üç unsurunun stratejik yerleşimleriyle manipüle edilebilir.
Fizyolojik ve Anatomik Kollar
Vücudunuz etkileşimli kollarla doludur. Bir örnek, pazıdır. Bu kas, ön kola dirsek ("dayanak") ile eldeki yük ne olursa olsun arasındaki bir noktaya yapışır. Bu, pazı üçüncü dereceden bir kol yapar.
Belki daha az belirgin olarak ayakağınızdaki baldır kası ve Aşil tendonu farklı bir kol tipi olarak birlikte hareket eder. Yürürken ve ileri doğru yuvarlanırken ayağınızın topu dayanak görevi görür. Kas ve tendonlar vücut ağırlığınızı engelleyerek yukarı ve öne doğru kuvvet uygular. Bu, el arabası gibi ikinci dereceden bir kol örneğidir.
Kol Numune Sorunu
Çok sert fakat çok hafif bir çelik çubuğun ucuna 1000 kg veya 2,204 lb (ağırlık: 9,800 N) kütleli bir otomobil, otomobilin kütle merkezinden 5 m yerleştirilmiş bir dayanak noktasıyla döşenmiştir. 5 kg (110 lb) kütleye sahip bir kişi, gerektiği kadar yatay olarak uzatılabilen, çubuğun diğer ucunda durarak, otomobilin ağırlığını kendisiyle dengeleyebileceğini söylüyor. Bu noktaya ulaşmak için dayanak noktası ne kadar olmalıdır?
Güç dengesi F gerektirir1L1 = F2L2F1 = (50 kg) (9,8 m / s2) = 490 N, K2 = 9.800 N ve L2 = 5. Böylece L1 = (9800) (5) / (490) = 100 m (bir futbol sahasından biraz daha uzun).
Mekanik Avantaj: Kasnak
Bir kasnak, diğerleri gibi, binlerce yıldır çeşitli biçimlerde kullanılan basit bir makinedir. Muhtemelen onları gördün; sabit veya hareketli olabilirler ve dönen bir dairesel diskin etrafına sarılmış bir ip veya kablo içerebilirler;
Bir kasnağın ana avantajı, basit kasnaklar için 1 değerinde kalan MA'yı arttırmaması; Uygulanan kuvvetin yönünü değiştirebilmesidir. Karışımda yerçekimi varsa, bu çok önemli olmayabilir, ancak olduğu için, hemen hemen her insan mühendisliği sorunu, bir şekilde onunla savaşmayı veya kaldırarak yapmayı içerir.
Ağır nesnelerin nispeten kolay bir şekilde kaldırılması için bir makara kullanılabilir, aynı yönde yerçekimine etki eden kuvvetin aşağı çekilmesiyle kuvvet uygulanmasını mümkün kılar. Bu gibi durumlarda, yükü yükseltmek için kendi vücut kitlenizi de kullanabilirsiniz.
Bileşik Kasnak
Belirtildiği gibi, basit bir kasnağın yaptığı, kuvvetin yönünü değiştirmek olduğu için, gerçek dünyadaki faydası, önemli ölçüde en üst düzeye çıkarılmamıştır. Bunun yerine, uygulanan kuvvetleri çarpmak için farklı yarıçaplı çoklu kasnaklı sistemler kullanılabilir. Bu, F'den beri gerekli olan daha fazla ip yapma basit eylemiyle yapılır.ben d sabit bir W değeri için artar.
Bir zincirindeki bir makara, onu izleyen yarıçaptan daha büyük bir yarıçapa sahip olduğunda, bu çiftte yarıçapın değerindeki farka orantılı bir mekanik avantaj yaratır. Uzun bir dizi kasnak, bir bileşik kasnak, çok ağır yükleri taşıyabilir - sadece bol miktarda ip getirin!
Kasnak Örneği Sorunu
Yakın zamanda gelen ve 3.000 N ağırlığındaki fizik kitaplarının sandığı, bir kasnak halatı üzerinde 200 N kuvvetle çalışan bir liman işçisi tarafından kaldırılıyor. Sistemin mekanik avantajı nedir?
Bu sorun gerçekten göründüğü kadar basit; FÖ/ Fben = 3,000/200 = 15.0. Mesele, eski ve elektronik aksaklık eksikliğine rağmen, basit makinelerin dikkat çekici ve güçlü icatlarının ne olduğunu göstermektir.
Mekanik Avantaj Hesaplayıcısı
Kol tipleri, bağıl kol uzunlukları, kasnak konfigürasyonları ve daha birçok konuda zengin girdiler denemenize izin veren çevrimiçi hesaplayıcılar ile kendinizi şımartabilirsiniz, böylece bu tür sorunlardaki sayıların nasıl olduğu hakkında pratik bir fikir edinebilirsiniz oyna. Böyle kullanışlı bir aracın bir örneği Kaynaklarda bulunabilir.