Innehåll
- Fundamentals of Newtonian Physics
- Översikt över enkla maskiner
- Spakgrunderna
- Moment och moment i fysik
- Terminologi och typer av spakar
- Exempel på sammansatt spak
- Beräkna spaken armstyrka
Praktiskt taget alla vet vad en spak är, även om de flesta människor kan bli förvånade över att lära sig hur omfattande enkla maskiner kvalificera sig som sådan.
Löst sett är en spak ett verktyg som används för att "bända" något löst på ett sätt som ingen annan icke-motoriserad apparat kan hantera; i vardagsspråk sägs någon som har lyckats få en unik form av makt över en situation ha "hävstångseffekt."
Att lära sig om spakar och hur man tillämpar ekvationerna för deras användning är en av de mer givande processerna som introduktionsfysik erbjuder. Den innehåller lite om kraft och vridmoment, introducerar det motintuitiva men avgörande begreppet multiplikation av krafteroch ringer dig till kärnbegrepp som arbete och former av energi i köpet.
En av de främsta fördelarna med spakarna är att de lätt kan "staplas" på ett sådant sätt att de skapar en betydande mekanisk fördel. Beräkningar av sammansatta spakar hjälper till att illustrera hur kraftfull men ödmjuk en väl utformad "kedja" av enkla maskiner kan vara.
Fundamentals of Newtonian Physics
Isaac Newton (1642–1726), utöver att krediteras med att samutfinna den matematiska disciplinen i kalkylen, utvidgade Galileo Galileis arbete för att utveckla formella förhållanden mellan energi och rörelse. Speciellt föreslog han bland annat att:
Föremål motstår förändringar av deras hastighet på ett sätt som är proportionellt mot deras massa (tröghetslagen, Newtons första lag);
En kvantitet som heter tvinga verkar på massor för att ändra hastighet, en process som kallas acceleration (F = ma, Newtons andra lag);
En kvantitet som heter Momentumprodukten av massa och hastighet är mycket användbar vid beräkningar genom att den bevaras (dvs dess totala mängd förändras inte) i slutna fysiska system. Total energi är också bevarad.
Att kombinera ett antal av elementen i dessa relationer resulterar i begreppet arbete, vilket är kraft multiplicerad genom ett avstånd: W = Fx. Det är genom denna lins som studien av spakar börjar.
Översikt över enkla maskiner
Spakar tillhör en klass av enheter som kallas enkla maskiner, som också inkluderar växlar, remskivor, lutande plan, kil och skruvar. (Ordet "maskin" i sig kommer från ett grekiskt ord som betyder "hjälp att göra det enklare.")
Alla enkla maskiner delar en egenskap: De multiplicerar kraft på bekostnad av avståndet (och det extra avståndet är ofta smart dold). Lagen om energibesparing bekräftar att inget system kan "skapa" arbete ur ingenting utan för W = Fx, även om värdet på W är begränsat är de andra två variablerna i ekvationen inte.
Variabeln av intresse i en enkel maskin är dess mekanisk fördel, som bara är förhållandet mellan utgångskraften och ingångskraften: MA = Fo/ Fjag. Ofta uttrycks denna mängd som idealisk mekanisk fördeleller IMA, som är den mekaniska fördelen som maskinen skulle ha om inte friktionskrafter var närvarande.
Spakgrunderna
En enkel spak är en solid stång av något slag som är fritt att svänga om en fast punkt kallad a stödjepunkt om krafter appliceras på spaken. Stommen är placerad på valfritt avstånd längs spaken. Om spaken upplever krafter i form av vridmoment, som är krafter som verkar runt en rotationsaxel, kommer spaken inte att röra sig förutsatt att summan av krafterna (vridmoment) som verkar på stången är noll.
Vridmomentet är produkten av en applicerad kraft plus avståndet från hjulkretsen. Således ett system som består av en enda spak som är föremål för två krafter F1 och F2 på avstånd x1 och x2 från huvudstommen är i jämvikt när F1x1 = F2x2.
Bland andra giltiga tolkningar innebär detta förhållande att en stark kraft som verkar på kort avstånd kan exakt motverkas (förutsatt att inga energiförluster beror på friktion) av en svagare kraft som verkar över ett längre avstånd och på ett proportionellt sätt.
Moment och moment i fysik
Avståndet från stödpunkterna till den punkt där en kraft appliceras på en spak kallas hävarm, eller ögonblick arm. (I dessa ekvationer har det uttryckts med "x" för visuell enkelhet; andra källor kan använda en liten bokstav "l.")
Vridmoment behöver inte agera vinkelrätt mot spakarna, men för en given applicerad kraft ger en rätt (dvs 90 °) vinkel den maximala mängden kraft, för att helt enkelt fråga något, synda 90 ° = 1.
För att ett objekt ska vara i jämvikt måste summan av krafterna och momenten som verkar på det objektet båda vara noll. Detta innebär att alla vridmoment medurs måste balanseras exakt med moturs vridmoment.
Terminologi och typer av spakar
Vanligtvis är idén att applicera en kraft på en spak att flytta något genom att "utnyttja" den försäkrade tvåvägs kompromissen mellan kraft och hävarmsarm. Kraften du försöker motstå kallas motståndskraft, och din egen ingångskraft kallas ansträngningskraft. Du kan alltså tänka på utgångskraften som att nå värdet på motståndskraften i det ögonblick objektet börjar rotera (dvs när jämviktsvillkoren inte längre uppfylls.
Tack vare förhållandena mellan arbete, kraft och distans kan MA detta uttryckas som
MA = Fr/ Fe = de/ dr
Var de är avståndet ansträngningsarmen rör sig (rotationsmässigt sett) och dr är avståndet som motståndsarmen rör sig.
Spakar kommer in tre typer.
Exempel på sammansatt spak
EN sammansatt spak är en serie spakar som verkar i samverkan, så att utgångskraften för en spak blir ingångskraften för nästa spak, vilket således till slut möjliggör en enorm grad av kraftmultiplikation.
Pianotangenter representerar ett exempel på de fantastiska resultaten som kan uppstå från att bygga maskiner som har sammansatta spakar. Ett enklare exempel att visualisera är en typisk uppsättning spikklippare. Med dessa applicerar du kraft på ett handtag som drar två metallstycken tillsammans tack vare en skruv. Handtaget är förenat med det övre metallstycket med denna skruv, vilket skapar ett stöd, och de två bitarna är förenade med ett andra stödjärn i motsatt ände.
Observera att när du tillämpar kraft på handtaget rör det sig mycket längre (om bara en tum eller så) än de två vassa klippändarna, som bara behöver flytta ett par millimeter för att stänga ihop och göra sitt jobb. Kraften du applicerar multipliceras lätt tack vare dr att vara så liten.
Beräkna spaken armstyrka
En kraft på 50 newton (N) appliceras medsols på ett avstånd av 4 meter (m) från ett stödjärn. Vilken kraft måste appliceras på ett avstånd av 100 m på andra sidan av stödben för att balansera denna belastning?
Här tilldelar du variabler och ställer in en enkel andel. F1= 50 N, x1 = 4 m och x2 = 100 m.
Du vet att F1x1 = F2x2, så x2 = F1x1/ F2 = (50 N) (4 m) / 100 m = 2 N.
Därför behövs bara en liten kraft för att kompensera motståndslasten, så länge du är villig att stå längs en fotbollsplan för att få det gjort!