Iidsetest aegadest peale on inimkond püüdnud mis tahes vahenditega oma füüsilist tööd hõlbustada. Lihtsad mehhanismid on muutunud selle probleemi lahendamise vahendiks. Selles artiklis käsitletakse selliseid leiutisi nagu kang ja plokk, aga ka hoobade ja klotside süsteem.
Mis on finantsvõimendus ja millal seda kasutati?
Tõenäoliselt on kõik selle lihtsa mehhanismiga tuttavad lapsepõlvest saati. Füüsikas on kang kombinatsioon tala (varras, laud) ja ühest toest. Toimib hoovana raskuste tõstmiseks või kiiruse edastamiseks kehadele. Olenev alt toe asendist tala all võib kang kaasa tuua kas jõu või koormuse liikumise võimenduse. Olgu öeldud, et hoob ei too kaasa töö kui füüsilise suuruse vähenemist, see võimaldab vaid selle täitmist mugav alt ümber jaotada.
Mees on finantsvõimendust kasutanud juba pikka aega. Seega on tõendeid selle kohta, et iidsed egiptlased kasutasid seda püramiidide ehitamisel. Esimene matemaatiline kirjeldus kangi mõjust pärineb 3. sajandist eKr ja kuulub Archimedesele. Kaasaegne selgitus selle mehhanismi tööpõhimõtte kohta, mis hõlmabjõumomendi mõiste tekkis alles 17. sajandil, Newtoni klassikalise mehaanika kujunemise ajal.
Hangireegel
Kuidas kang töötab? Vastus sellele küsimusele sisaldub jõumomendi mõistes. Viimast nimetatakse selliseks väärtuseks, mis saadakse jõu õla korrutamisel selle mooduliga, see tähendab:
M=Fd
Jõu d on kaugus tugipunktist jõu F rakenduspunktini.
Kui kang teeb oma tööd, mõjub sellele kolm erinevat jõudu:
- väline jõud, mida rakendab näiteks inimene;
- koorma kaal, mida inimene püüab kangiga liigutada;
- toe küljelt mõjuva toe reaktsioon kangitalale.
Toe reaktsioon tasakaalustab ülejäänud kaks jõudu, mistõttu kang ei liigu ruumis edasi. Selleks, et see ei teostaks ka pöörlevat liikumist, on vajalik, et kõigi jõudude momentide summa oleks võrdne nulliga. Jõumomenti mõõdetakse alati mingi telje suhtes. Sel juhul on see telg tugipunktiks. Selle telje valiku korral võrdub toe reaktsioonijõu õlg nulliga, see tähendab, et see jõud loob nullmomendi. Alloleval joonisel on kujutatud tüüpiline esimest tüüpi hoob. Nooled tähistavad välisjõudu F ja koormuse kaalu R.
Kirjutage üles nende jõudude momentide summa, meil on:
RdR+ (-FdF)=0
Momentide summa võrdsus nulliga tagab hoobade pöörlemise puudumise. Hetkjõudu F võetakse negatiivse märgiga, kuna see jõud kipub pöörama kangi päripäeva, samas kui jõud R kipub seda pöörama vastupäeva.
Kirjutades selle avaldise ümber järgmistes vormides, saame kangi tasakaalutingimused:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Oleme saanud kirjalikud võrdsused jõumomendi mõistet kasutades. III sajandil eKr. e. Kreeka filosoofid ei teadnud sellest füüsikalisest kontseptsioonist, sellegipoolest lõi Archimedes eksperimentaalsete vaatluste tulemusel pöördvõrdelise seose kangi õladele mõjuvate jõudude suhte ja nende käte pikkuse vahel.
Salvestatud võrdsused näitavad, et käe pikkuse vähenemine dR aitab kaasa võimalusele tõsta suuri raskusi väikese jõu F ja a abil. pikk käsi dF R last.
Mis on plokk füüsikas?
Plokk on veel üks lihtne mehhanism, milleks on ümmargune silinder, mille silindrilise pinna perimeetril on soon. Vagu on mõeldud köie või keti kinnitamiseks. Plokil on pöörlemistelg. Joonisel on näide plokist, mis demonstreerib selle toimimist.
Seda plokki nimetatakse fikseeritud. See ei anna jõudu juurde, kuid võimaldab teil selle suunda muuta.
Peale fikseeritud ploki on ka liikuv plokk. Liigutatavate ja fikseeritud plokkide süsteem on näidatud allpool.
Kui sellele süsteemile rakendada hetkede reeglit, siis saamejõu juurdekasv on kahekordne, kuid samal ajal kaotame teel sama palju (joonisel F=60 N).
Hangide ja klotside süsteem
Nagu eelmistes lõikudes mainitud, saab võimendust kasutada tee või võimsuse saamiseks, samas kui plokk võimaldab teil saada jõudu ja muuta selle tegevuse suunda. Neid vaadeldavate lihtsate mehhanismide omadusi kasutatakse kangide ja plokkide süsteemides. Nendes süsteemides võtab iga element teatud jõu ja kannab selle üle teistele elementidele, nii et saame väljundina algse jõu.
Hangi ja ploki käsitsemise lihtsus ning nende struktuurse kasutuse paindlikkus võimaldavad sellisest kombinatsioonist koostada keerukaid mehhanisme.
Lihtsate mehhanismide süsteemide kasutamise näited
Tegelikult on kõik meid ümbritsevad masinad hoobade ja klotside süsteemid. Siin on kõige kuulsamad näited:
- kirjutusmasin;
- klaver;
- kraana;
- kokkupandavad tellingud;
- reguleeritavad voodid ja lauad;
- inimluude, liigeste ja lihaste komplekt.
Kui kõigi nende süsteemide sisendjõud on teada, saab väljundjõu arvutada, rakendades järjestikku hoovareeglit süsteemi igale elemendile.
