Innhold
- Fundamentals of Newtonian Physics
- Oversikt over enkle maskiner
- Lever Grunnleggende
- Moment og øyeblikk i fysikk
- Terminologi og typer spaker
- Eksempler på sammensatt spak
- Lever armstyrkeberegning
Stort sett alle vet hva a spaken er, selv om de fleste kanskje blir overrasket over å lære hvor bredt spekter av enkle maskiner kvalifiserer som sådan.
Løst sett er en spak et verktøy som brukes til å "lirke" noe løst på en måte som ingen andre ikke-motoriserte apparater kan klare; i hverdagsspråket sies det at noen som har klart å få en unik form for makt over en situasjon, har "innflytelse."
Å lære om spaker og hvordan bruke likningene for bruken er en av de mer givende prosessene introduksjonsfysikk tilbyr. Det inkluderer litt om kraft og dreiemoment, introduserer det motintuitive, men avgjørende konseptet multiplikasjon av krefter, og ringer deg inn til kjernekonsepter som arbeid og energiformer i handelen.
En av hovedfordelene med spakene er at de lett kan "stables" på en slik måte at de skaper en betydelig mekanisk fordel. Beregninger av sammensatte spaker hjelper til med å illustrere hvor kraftig, men likevel ydmyk en godt designet "kjede" av enkle maskiner kan være.
Fundamentals of Newtonian Physics
Isaac Newton (1642–1726), i tillegg til å bli kreditert med å oppfinne den matematiske disiplinen for kalkulus, utvidet Galileo Galileis arbeid for å utvikle formelle forhold mellom energi og bevegelse. Konkret foreslo han blant annet at:
Gjenstander motstår endringer i hastigheten på en måte som er proporsjonal med deres masse (treghetsloven, Newtons første lov);
En mengde som heter makt virker på masser for å endre hastighet, en prosess som heter akselerasjon (F = ma, Newtons andre lov);
En mengde som heter momentum, produktet med masse og hastighet, er veldig nyttig ved beregninger ved at det er bevart (dvs. den totale mengden endres ikke) i lukkede fysiske systemer. Total energi er også bevart.
Å kombinere en rekke elementer i disse forholdene resulterer i begrepet arbeid, som er kraft multiplisert gjennom en avstand: W = fx. Det er gjennom dette objektivet studiet av spaker begynner.
Oversikt over enkle maskiner
Spaker tilhører en klasse enheter kjent som enkle maskiner, som også inkluderer gir, remskiver, skråplan, kiler og skruer. (Selve ordet "maskin" kommer fra et gresk ord som betyr "hjelp til å gjøre det enklere.")
Alle enkle maskiner deler ett trekk: De multipliserer kraft på bekostning av avstand (og den ekstra avstanden er ofte skjult). Loven om bevaring av energi bekrefter at intet system kan "skape" arbeid ut av ingenting, men fordi W = Fx, selv om verdien av W er begrenset, er ikke de to andre variablene i ligningen.
Variabelen av interesse i en enkel maskin er dens mekanisk fordel, som bare er forholdet mellom utgangskraften og inngangskraften: MA = Fo/ FJeg. Ofte uttrykkes denne mengden som ideell mekanisk fordel, eller IMA, som er den mekaniske fordelen maskinen ville hatt hvis ikke friksjonskrefter var til stede.
Lever Grunnleggende
En enkel spak er en solid stang av en eller annen art som er fri til å svinge om et fast punkt kalt a svingpunkt hvis krefter påføres spaken. Støtten kan være plassert i hvilken som helst avstand langs spakenes lengde. Hvis spaken opplever krefter i form av dreiemomenter, som er krefter som virker rundt en rotasjonsakse, vil spaken ikke bevege seg forutsatt at summen av kreftene (momentene) som virker på stangen er null.
Dreiemoment er produktet av en påført kraft pluss avstanden fra bærebåndet. Dermed et system bestående av en enkelt spak underlagt to krefter F1 og F2 på avstander x1 og x2 fra bærebjelken er i likevekt når F1x1 = F2x2.
Blant andre gyldige tolkninger betyr dette forholdet at en sterk kraft som virker over kort avstand, kan nøyaktig motveies (forutsatt ingen energitap på grunn av friksjon) av en svakere styrke som virker over en lengre avstand, og på en proporsjonal måte.
Moment og øyeblikk i fysikk
Avstanden fra hjulkretsen til det punktet hvor en kraft utøves på en spak er kjent som spakarm, eller øyeblikk arm. (I disse ligningene er det uttrykt ved å bruke "x" for visuell enkelhet; andre kilder kan bruke en liten bokstav "l.")
Momentene trenger ikke å virke vinkelrett på spakene, men for en gitt påført kraft gir en rett (dvs. 90 °) vinkel maksimal kraftmengde fordi, for å ganske enkelt saka noe, synde 90 ° = 1.
For at et objekt skal være i likevekt, må summen av kreftene og momentene som virker på det objektet være null. Dette betyr at alle dreiemomentene med klokken må balanseres nøyaktig ved hjelp av moturs.
Terminologi og typer spaker
Vanligvis er ideen om å bruke en kraft på en spak å flytte noe ved å "utnytte" det sikrede toveis kompromisset mellom kraft og hendelarm. Kraften du prøver å motsette, kalles motstandskraft, og din egen innsatsstyrke er kjent som innsatsstyrke. Du kan dermed tenke på utgangskraften som å nå verdien av motstandskraften i det øyeblikket objektet begynner å rotere (dvs. når likevektsbetingelser ikke lenger er oppfylt.
Takket være sammenhengene mellom arbeid, kraft og distanse, kan MA dette uttrykkes som
MA = Fr/ Fe = de/ dr
Hvore er avstanden innsatsarmen beveger seg (rotasjonsmessig sett) og dr er avstanden motstandsspaken beveger seg.
Spaker kommer inn tre typer.
Eksempler på sammensatt spak
EN sammensatt spak er en serie spaker som fungerer sammen, slik at utgangskraften til den ene spaken blir inngangskraften til den neste spaken, og dermed til slutt tillater en enorm grad av kraftmultiplikasjon.
Pianotaster representerer et eksempel på de fantastiske resultatene som kan oppstå fra å bygge maskiner som har sammensatte spaker. Et enklere eksempel å visualisere er et typisk sett med negleklippere. Med disse bruker du kraft til et håndtak som trekker to metalldeler sammen takket være en skrue. Håndtaket er festet til det øverste metallstykket ved hjelp av denne skruen, og skaper ett bærebjelke, og de to delene er forbundet med et andre bærebjelke i motsatt ende.
Legg merke til at når du bruker kraft på håndtaket, beveger det seg mye lenger (hvis bare en tomme eller mer) enn de to skarpe klipperendene, som bare trenger å flytte et par millimeter for å lukke hverandre og gjøre jobben sin. Kraften du bruker multipliseres lett takket være dr å være så liten.
Lever armstyrkeberegning
En styrke på 50 newton (N) påføres med klokken i en avstand på 4 meter (m) fra bærebjelken. Hvilken kraft må påføres på en avstand på 100 m på den andre siden av hjulkretsen for å balansere denne belastningen?
Her, tilordne variabler og sett opp en enkel andel. F1= 50 N, x1 = 4 m og x2 = 100 moh.
Du vet at F1x1 = F2x2, så x2 = F1x1/ F2 = (50 N) (4 m) / 100 m = 2 N.
Dermed er det bare en liten kraft som trengs for å oppveie motstandsbelastningen, så lenge du er villig til å stille lengden på en fotballbane unna for å få det til!