Kelebihan Menggunakan Levers & Pulleys

Kandungan

• Kerja, Tenaga dan Angkatan
• Keperluan Mesin Mudah
• Kelebihan Mekanikal
• Memperkenalkan Lever
• Kelas Levers
• Pemimpin Fisiologi dan Anatomi
• Masalah Sampel Lever
• Kelebihan mekanikal: Pulley
• Pulley Kompaun
• Masalah Sampingan Pulley
• Kalkulator Kelebihan Mekanikal

Apabila seseorang meminta anda untuk mempertimbangkan konsep a mesin pada abad ke-21, yang maya diberikan bahawa apa sahaja imej yang melompat ke dalam fikiran anda melibatkan elektronik (misalnya apa-apa komponen digital) atau sekurang-kurangnya sesuatu yang dikuasakan oleh elektrik.

Gagal itu, jika anda seorang peminat, katakan, pengembangan Amerika Barat abad ke-19 ke arah Lautan Pasifik, anda mungkin memikirkan lokomotif stim lokomotif yang menghidupkan kereta api pada masa itu - dan mewakili keajaiban kejuruteraan sejati pada masa itu.

Dalam realiti, mesin mudah telah wujud selama beratus-ratus dan dalam beberapa kes beribu-ribu tahun, dan tidak seorang pun daripada mereka memerlukan pemasangan berteknologi tinggi atau kuasa di luar apa yang orang atau orang yang menggunakannya dapat membekalkan. Tujuan pelbagai jenis mesin mudah adalah sama: untuk menghasilkan tambahan memaksa dengan perbelanjaan jarak dalam beberapa bentuk (dan mungkin sedikit masa, juga, tetapi itu quibbling).

Sekiranya kedengarannya sihir kepada anda, mungkin kerana anda membingungkan dengan kekerasan tenaga, kuantiti yang berkaitan. Tetapi sementara yang benar bahawa tenaga tidak boleh "diciptakan" dalam sistem kecuali dari bentuk tenaga lain, hal yang sama tidak berlaku dengan kekuatan, dan sebab mudah untuk ini dan lebih menanti anda.

Kerja, Tenaga dan Angkatan

Sebelum menangkap bagaimana objek digunakan untuk menggerakkan objek lain di dunia, yang baik untuk mengendalikan istilah asas.

Pada abad ke-17, Isaac Newton memulakan kerja revolusionernya dalam fizik dan matematik, satu kemuncaknya adalah Newton memperkenalkan tiga undang-undang pergerakan asasnya. Yang kedua menyatakan bahawa bersih memaksa bertindak untuk mempercepat, atau mengubah halaju, massa: F_bersih = ma.

Apabila daya bergerak objek melalui anjakan d, kerja dikatakan telah dilakukan pada objek itu:

W = F ⋅ d.

Nilai kerja adalah positif apabila daya dan anjakan berada dalam arah yang sama, dan negatif apabila berada di arah yang lain. Kerja mempunyai unit yang sama seperti tenaga, meter (juga dipanggil joule).

Tenaga adalah harta perkara yang ditunjukkan dalam banyak cara, dalam bentuk bergerak dan "beristirahat", dan yang penting, ia dipelihara dalam sistem tertutup dengan cara yang sama dengan kekuatan dan momentum (halaju jisim) berada dalam fizik.

Keperluan Mesin Mudah

Jelas sekali, manusia perlu memindahkan sesuatu, selalunya jarak jauh. Adalah berguna untuk dapat mengekalkan jarak yang jauh tetapi berkuasa - yang memerlukan kuasa manusia, yang lebih memperlihatkan masa pra-perindustrian - entah bagaimana rendah. Persamaan kerja kelihatan membenarkannya; untuk jumlah kerja yang diberikan, tidak kira apa nilai individu F dan d adalah.

Kerana ia berlaku, ini adalah prinsip di sebalik mesin mudah, walaupun sering tidak dengan idea memaksimumkan pemboleh ubah jarak. Semua enam jenis klasik (yang tuil, yang pulley, yang roda dan gandar, yang pesawat cenderung, yang baji dan juga skru) digunakan untuk mengurangkan daya guna pada kos jarak untuk melakukan kerja yang sama.

Kelebihan Mekanikal

Istilah "kelebihan mekanikal" mungkin lebih memikat daripada yang sepatutnya, kerana ia seolah-olah menyiratkan bahawa sistem fizik boleh digunakan untuk mengekstrak lebih banyak kerja tanpa input tenaga yang sepadan. (Kerana kerja mempunyai unit tenaga dan tenaga dipelihara dalam sistem tertutup, apabila kerja dilakukan, magnitudnya harus sama dengan energi yang dimasukkan ke dalam gerakan apa pun.) Sayangnya, ini tidak berlaku, tetapi kelebihan mekanikal (MA) masih menawarkan beberapa hadiah penghiburan yang baik.

Buat masa sekarang, pertimbangkan dua daya lawan F₁ dan F₂ bertindak kira-kira titik pangsi, dipanggil a titik tumpuan. Kuantiti ini, tork, dikira hanya sebagai magnitud dan arah daya yang didarabkan dengan jarak L dari fulcrum, yang dikenali sebagai lengan tuas: T = F* L*. Jika kuasa F₁ dan F₂ adalah seimbang, T₁ mesti sama besarnya dengan T₂, atau

F₁L₁ = F₂L₂.

Ini juga boleh ditulis F₂/ F₁ = L₁/ L₂. Jika F₁ adalah daya input (anda, orang lain atau mesin lain atau sumber tenaga) dan F₂ adalah kuasa output (juga dipanggil beban atau rintangan), maka semakin tinggi nisbah F2 hingga F1, semakin tinggi kelebihan mekanikal sistem tersebut, kerana lebih banyak daya output dihasilkan menggunakan daya input yang relatif sedikit.

Nisbah F₂/ F₁, atau mungkin lebih baik F_o/ F_i, adalah persamaan untuk MA. Dalam masalah pengenalan, ia biasanya dipanggil kelebihan mekanikal yang ideal (IMA) kerana kesan geseran dan seretan udara diabaikan.

Memperkenalkan Lever

Dari maklumat di atas, anda sekarang tahu apa asas tuas terdiri daripada: a titik tumpuan, a daya input dan a beban. Walaupun susunan tulang-tulang ini, tuas dalam industri manusia datang dalam persembahan yang sangat pelbagai. Anda mungkin tahu bahawa jika anda menggunakan bar pry untuk memindahkan sesuatu yang menawarkan beberapa pilihan lain, anda menggunakan tuas. Tetapi anda juga menggunakan tuas apabila anda memainkan piano atau menggunakan set kuku kuku standard.

Levers boleh "disusun" dari segi susunan fizikal mereka supaya satu kelebihan mekanikal individu menyumbang kepada sesuatu yang lebih besar untuk sistem keseluruhannya. Sistem ini dipanggil tuas kompaun (dan mempunyai pasangan di dunia takhta, seperti yang anda lihat).

Aspek berbilang mesin sederhana ini, baik dalam tuas dan pullei individu dan di antara yang berbeza dalam perkiraan kompaun, yang membuat mesin mudah bernilai apa-apa sakit kepala yang kadang-kadang boleh menyebabkan mereka.

Kelas Levers

A tuil pesanan pertama mempunyai tumpuan antara daya dan beban. Contohnya ialah "melihat-lihat"di taman permainan sekolah.

A tuil pesanan kedua mempunyai fulcrum pada satu hujung dan daya pada yang lain, dengan beban di antara. The kereta sorong adalah contoh klasik.

A tuil pesanan ketiga, seperti tuas pesanan kedua, mempunyai fulcrum pada satu hujung. Tetapi dalam kes ini, beban berada di hujung yang lain dan daya digunakan di suatu tempat di antara. Banyak alat sukan, seperti kelawar besbol, mewakili kelas tuil ini.

Kelebihan mekanikal tuas dapat dimanipulasi di dunia nyata dengan peletakan strategik tiga elemen yang diperlukan oleh mana-mana sistem sedemikian.

Pemimpin Fisiologi dan Anatomi

Badan anda sarat dengan tuas yang berinteraksi. Satu contohnya adalah bicep. Otot ini melekat pada lengan bawah pada titik di antara siku ("tumpukan") dan beban apa pun yang ditanggung oleh tangan. Ini menjadikan bicep sebagai tuil pesanan ketiga.

Kurang jelas mungkin, otot betis dan tendon Achilles di kaki anda bertindak bersama sebagai jenis tuil yang berbeza. Semasa anda berjalan dan maju ke hadapan, bola kaki anda bertindak sebagai tumpuan. Otot dan tendon menaikkan daya ke atas dan ke hadapan, mengimbangi berat badan anda. Ini adalah contoh tuas pesanan kedua, seperti kereta sorong.

Masalah Sampel Lever

Sebuah kereta dengan jisim 1,000 kg, atau 2,204 lb (berat: 9,800 N) bertembung pada akhir rod keluli yang sangat tegar tetapi sangat ringan, dengan fulcrum diletakkan 5 m dari pusat jisim kereta. Seseorang yang mempunyai jisim 5- kg (110 lb) mengatakan dia boleh mengimbangi berat kereta itu sendiri dengan berdiri di hujung batang yang boleh dilanjutkan secara mendatar selama yang diperlukan. Berapa jauh dari fulcrum dia mesti mencapai ini?

Imbangan kuasa memerlukan F₁L₁ = F₂L₂, di mana F1 = (50 kg) (9.8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N, dan L2 = 5. Oleh itu L1 = (9800) (5) / (490) = 100 m (sedikit lebih lama daripada padang bola sepak).

Kelebihan mekanikal: Pulley

Pulley adalah sejenis mesin mudah yang, seperti yang lain, telah digunakan dalam pelbagai bentuk untuk beribu-ribu tahun. Anda mungkin melihatnya; mereka boleh diperbaiki atau bergerak, dan termasuk tali atau kabel luka di sekitar cakera berputar berputar, yang mempunyai alur atau cara lain untuk menjaga kabel dari tergelincir ke sisi.

Kelebihan utama kren bukanlah ia meningkatkan MA, yang kekal pada nilai 1 untuk kendi mudah; ia adalah bahawa ia boleh mengubah arah daya yang dikenakan. Ini mungkin tidak penting jika berat graviti dalam campuran, tetapi kerana itu, hampir setiap masalah kejuruteraan manusia melibatkan pertempuran atau memanfaatkannya dalam beberapa cara.

Pulley boleh digunakan untuk mengangkat benda-benda berat dengan mudah dengan memudahkan untuk menggunakan daya dalam arah graviti arah yang sama - dengan menarik ke bawah. Dalam situasi seperti itu, anda juga boleh menggunakan jisim badan anda sendiri untuk membantu menaikkan beban.

Pulley Kompaun

Seperti yang dinyatakan, kerana semua kili sederhana tidak mengubah arah kuasa, utiliti di dunia nyata, sementara yang besar, tidak dimaksimumkan. Sebaliknya, sistem pelbagai kendi dengan radii yang berbeza boleh digunakan untuk membiak daya pakai. Ini dilakukan melalui tindakan mudah untuk membuat tali yang diperlukan, kerana F_i jatuh sebagai d naik untuk nilai tetap W.

Apabila satu katrol dalam rantai mereka mempunyai radius yang lebih besar daripada yang mengikutinya, ini menghasilkan kelebihan mekanikal dalam pasangan ini yang berkadar dengan perbezaan nilai radii. Julat kepalanya yang panjang, dipanggil a pulley kompaun, boleh memindahkan beban yang sangat berat - hanya membawa banyak tali!

Masalah Sampingan Pulley

Kotak buku fizik yang baru tiba dengan berat 3,000 N diangkat oleh pekerja dok, yang menarik dengan kekuatan 200 N pada tali dada. Apakah kelebihan mekanikal sistem ini?

Masalah ini benar-benar semudah ia kelihatan; F_o/ F_i = 3,000/200 = 15.0. Maksudnya adalah untuk menggambarkan apa yang canggih dan berkuasa ciptaan mesin mudah, walaupun zaman dahulu dan kekurangan glitz elektronik, sebenarnya adalah.

Kalkulator Kelebihan Mekanikal

Anda boleh merawat diri anda dengan kalkulator dalam talian yang membolehkan anda bereksperimen dengan pelbagai input yang berlainan dari segi jenis tuil, panjang lengan relatif, lengan konfigurasi dan lebih lagi supaya anda dapat merasakan bagaimana nombor dalam masalah ini bermain. Contoh alat berguna seperti itu boleh didapati di Sumber.