Ihmiskunta on muinaisista ajoista lähtien pyrkinyt kaikin keinoin helpottamaan fyysistä työtään. Yksinkertaisista mekanismeista on tullut keino tämän ongelman ratkaisemiseksi. Tässä artikkelissa käsitellään sellaisia keksintöjä kuin vipu ja lohko sekä vipu- ja lohkojärjestelmä.
Mikä on vipuvaikutus ja milloin sitä käytettiin?
Todennäköisesti kaikki ovat tunteneet tämän yksinkertaisen mekanismin lapsuudesta lähtien. Fysiikassa vipu on yhdistelmä palkin (tanko, lauta) ja yksi tuki. Toimii vivuna painojen nostamiseen tai nopeuden välittämiseen kehoon. Riippuen tuen asennosta palkin alla, vipu voi lisätä joko voimaa tai kuormien liikkeitä. On sanottava, että vipu ei johda työn vähentämiseen fyysisenä suurena, sen avulla voit vain jakaa sen suoritusta kätevästi.
Ihminen on käyttänyt vipuvaikutusta pitkään. Joten on näyttöä siitä, että muinaiset egyptiläiset käyttivät sitä pyramidien rakentamisessa. Ensimmäinen matemaattinen kuvaus vivun vaikutuksesta on peräisin 3. vuosisad alta eKr., ja se kuuluu Arkhimedeselle. Nykyaikainen selitys tämän mekanismin toimintaperiaatteestakäsite voimamomentista syntyi vasta 1600-luvulla, Newtonin klassisen mekaniikan muodostumisen aikana.
Vipusääntö
Kuinka vipu toimii? Vastaus tähän kysymykseen sisältyy voimamomentin käsitteeseen. Jälkimmäistä kutsutaan sellaiseksi arvoksi, joka saadaan kertomalla voiman käsi sen moduulilla, eli:
M=Fd
Voiman käsivarsi d on etäisyys tukipisteestä voiman F kohdistamispisteeseen.
Kun vipu tekee tehtävänsä, siihen vaikuttaa kolme erilaista voimaa:
- ulkoinen voima, jota esimerkiksi henkilö kohdistaa;
- kuorman paino, jota henkilö pyrkii liikuttamaan vivulla;
- tuen sivulta vaikuttavan tuen reaktio vipupalkkiin.
Tuen reaktio tasapainottaa kaksi muuta voimaa, joten vipu ei liiku eteenpäin avaruudessa. Jotta se ei suorittaisi myös pyörivää liikettä, on välttämätöntä, että kaikkien voimien momenttien summa on yhtä suuri kuin nolla. Voiman momentti mitataan aina suhteessa johonkin akseliin. Tässä tapauksessa tämä akseli on tukipiste. Tällä akselin valinnalla tuen reaktiovoiman olake on yhtä suuri kuin nolla, eli tämä voima luo nollamomentin. Alla oleva kuva esittää tyypillistä ensimmäisen tyyppistä vipua. Nuolet osoittavat ulkoisen voiman F ja kuorman painon R.
Kirjoita muistiin näiden voimien momenttien summa, meillä on:
RdR+ (-FdF)=0
Momenttien summan tasa-arvo nollaan varmistaa, että vipuvarret eivät pyöri. Hetkivoima F otetaan negatiivisella etumerkillä, koska tämä voima pyrkii kääntämään vipua myötäpäivään, kun taas voima R pyrkii tekemään tämän käännöksen vastapäivään.
Kirjoitamalla tämä lauseke uudelleen seuraaviin muotoihin, saadaan vivun tasapainoehdot:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Olemme saaneet kirjalliset yhtäläisyydet käyttämällä voimamomentin käsitettä. III vuosisadalla eKr. e. Kreikkalaiset filosofit eivät tienneet tästä fysikaalisesta käsitteestä, mutta Arkhimedes loi kokeellisten havaintojen tuloksena käänteisen suhteen vivun varsiin vaikuttavien voimien suhteen ja näiden käsivarsien pituuden välille.
Tallennetut yhtäläisyydet osoittavat, että käsivarren pituuden lyheneminen dR myötävaikuttaa siihen, että syntyy mahdollisuus nostaa suuria painoja pienen voiman F ja a pitkä varsi dF R lasti.
Mikä on lohko fysiikassa?
Block on toinen yksinkertainen mekanismi, joka on pyöreä sylinteri, jossa on ura sylinterimäisen pinnan kehällä. Vao kiinnittää köyden tai ketjun. Lohkolla on pyörimisakseli. Kuvassa on esimerkki lohkosta, joka osoittaa, miten se toimii.
Tätä lohkoa kutsutaan kiinteäksi. Se ei lisää voimaa, mutta antaa sinun muuttaa sen suuntaa.
Kiinteän lohkon lisäksi on liikkuva lohko. Liikkuva ja kiinteä lohkojärjestelmä on esitetty alla.
Jos tähän järjestelmään sovelletaan hetkien sääntöä, niin saammevoimanlisäys on kaksinkertainen, mutta samalla menetämme saman verran matkalla (kuvassa F=60 N).
Vipujen ja lohkojen järjestelmä
Kuten edellisissä kappaleissa mainittiin, vipuvaikutusta voidaan käyttää polun tai tehon saamiseksi, kun taas lohkon avulla voit saada tehoa ja muuttaa sen toiminnan suuntaa. Näitä tarkasteltujen yksinkertaisten mekanismien ominaisuuksia käytetään vipu- ja lohkojärjestelmissä. Näissä järjestelmissä jokainen elementti ottaa jonkin verran voimaa ja siirtää sen muihin elementteihin, jolloin saamme lähtönä alkuperäisen voiman.
Vivun ja lohkon helppokäyttöisyys ja niiden rakenteellisen käytön joustavuus mahdollistavat monimutkaisten mekanismien muodostamisen tällaisesta yhdistelmästä.
Esimerkkejä yksinkertaisten mekanismien käytöstä
Itse asiassa kaikki meitä ympäröivät koneet ovat vipu- ja lohkojärjestelmiä. Tässä on tunnetuimmat esimerkit:
- kirjoituskone;
- piano;
- nosturi;
- taitettavat telineet;
- säädettävät sängyt ja pöydät;
- joukko ihmisen luita, niveliä ja lihaksia.
Jos syöttövoima kussakin näistä järjestelmistä tunnetaan, ulostulovoima voidaan laskea soveltamalla peräkkäin vipusääntöä järjestelmän jokaiseen elementtiin.
