Maszyny proste - Dźwignie

Maszyny proste to urządzenia mechaniczne, które służą do ułatwienia pracy. Kombinacje dwóch lub więcej maszyn prostych pracujących razem nazywane są maszynami złożonymi. Maszyny te tworzą systemy dla różnych rodzajów ruchu, które pojawiają się, gdy siła jest przyłożona do ładunku. Zarówno maszyny proste jak i złożone ułatwiają pracę poprzez zmianę wielkości lub kierunku działania siły. Istnieje sześć standardowych typów maszyn prostych. Są to:

Dźwignia
Koło i oś
Krążek
Płaszczyzna nachylona
Krawędź
Śruba

Rozważmy pierwszą z tych maszyn prostych: dźwignię.

Misconconception Alert

Kiedy słyszysz słowo „maszyna”, czy automatycznie myślisz o czymś z silnikiem, jak wózek widłowy lub pralka? Maszyny nie muszą mieć silników. W rzeczywistości, maszyna to każde urządzenie, które przenosi lub modyfikuje siłę.

Co to jest dźwignia?

Dźwignia jest prostą maszyną zbudowaną ze sztywnej belki i punktu podparcia. Wysiłek (siła wejściowa) i obciążenie (siła wyjściowa) są przyłożone do obu końców belki. Punktem podparcia jest punkt, na którym belka się obraca. Gdy do jednego końca dźwigni przyłożymy siłę, na drugim końcu dźwigni pojawi się obciążenie. Spowoduje to przesunięcie masy do góry. Działanie dźwigni opiera się na momencie obrotowym. Moment obrotowy to siła potrzebna do obrócenia obiektu wokół jego osi (lub punktu obrotu).

Co to jest przewaga mechaniczna?

Dźwignia zapewnia przewagę mechaniczną. Przewaga mechaniczna odnosi się do tego, jak bardzo prosta maszyna zwielokrotnia przyłożoną siłę. Położenie siły, ładunku i punktu podparcia określa typ dźwigni i wielkość przewagi mechanicznej maszyny. Im dalej siła jest oddalona od punktu podparcia, tym łatwiej jest przesunąć ładunek.

Przewagę mechaniczną można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

Przewaga mechaniczna jest równa stosunkowi wysiłku do ładunku, jak również odległości od wysiłku do fulcrum do odległości od ładunku do. fulcrum — Przewaga mechaniczna jest równa stosunkowi siły do ładunku oraz odległości od siły do fulcrum do odległości od ładunku do fulcrum (©2020 Let’s Talk Science).

Jeśli odległość od siły do punktu podparcia jest większa niż odległość od ładunku do punktu podparcia, to dźwignia ma przewagę mechaniczną. Innymi słowy, stosunek tych dwóch odległości jest większy od jednego. Oznacza to, że duża odległość od siły do punktu podparcia i mała odległość od ładunku do punktu podparcia pozwoli małym wysiłkiem przesunąć duży ładunek!

Podstawowe części dźwigni pokazujące położenie belki, fulcrum, wysiłku i obciążenia (© 2019 Let’s Talk Science).

Dźwignie pierwszej klasy

Istnieją trzy rodzaje, lub klasy dźwigni.

W dźwigni pierwszej klasy, fulcrum znajduje się pomiędzy ładunkiem a wysiłkiem.

Jeśli fulcrum jest bliżej ładunku, to mniejszy wysiłek jest potrzebny do przesunięcia ładunku na mniejszą odległość. Jeżeli punkt podparcia znajduje się bliżej wysiłku, to większy wysiłek jest potrzebny, aby przesunąć ładunek na większą odległość. Teeter-totter, podnośnik samochodowy i łom są przykładami dźwigni pierwszej klasy. Dźwignie pierwszej klasy są bardzo przydatne do podnoszenia dużych ładunków przy niewielkim wysiłku.

Dźwignie pierwszej klasy obejmują nożyce (po lewej), teeter-tottery (w środku) i łomy (po prawej) (Źródła: Thamizhpparithi Maari via Wikimedia Commons, Tiia Monto via Wikimedia Commons i Pearson Scott Foresman via Wikimedia Commons).

Dźwignie drugiej klasy

W dźwigni drugiej klasy ładunek znajduje się pomiędzy siłą nacisku a punktem podparcia.

W dźwigni drugiej klasy, obciążenie znajduje się pomiędzy siłą a fulcrum. Gdy punkt podparcia znajduje się bliżej ładunku, do jego przesunięcia potrzebna jest mniejsza siła (©2020 Let’s Talk Science).

Jeśli ładunek jest bliżej punktu podparcia niż siły, to do jego przesunięcia potrzebna jest mniejsza siła. Jeżeli ładunek jest bliżej siły niż punktu podparcia, to do jego przesunięcia potrzebny jest większy wysiłek. Taczka, otwieracz do butelek i wiosło są przykładami dźwigni drugiej klasy.

Dźwignie drugiej klasy są używane w taczkach (po lewej), podczas chodzenia na palcach (w środku) i podczas robienia pompek (Źródła: MarkusHagenlocher via Wikimedia Commons, BruceBlaus via Wikimedia Commons i U.S. Navy via Wikimedia Commons).

Dźwignie trzeciej klasy

W dźwigni trzeciej klasy siła jest zlokalizowana pomiędzy ładunkiem a punktem podparcia.

W dźwigni trzeciej klasy, siła znajduje się pomiędzy ładunkiem a fulcrum. Jeżeli punkt podparcia znajduje się bliżej ładunku, to do przesunięcia ładunku potrzebna jest mniejsza siła (©2020 Let’s Talk Science).

Przykłady dźwigni trzeciej klasy — W dźwigni trzeciej klasy, siła znajduje się pomiędzy ładunkiem a fulcrum. Jeżeli punkt podparcia znajduje się bliżej ładunku, to do przesunięcia ładunku potrzebna jest mniejsza siła (©2020 Let’s Talk Science).

Heading