Як шківи використовують потужність Couleur-Science
механіка п’ятниця, 27 березня 2015 року, Тімо ван Неерден
Коли ви хочете підняти предмет, то, що ви справді хочете зробити, це подолати силу тяжіння, що діє на цей предмет. Необхідно прикласти силу, щонайменше рівносильну, і підняти її вгору.
Для 10-кілограмового об’єкта на Землі сила, яку потрібно подолати, становить 100 Н (N = ньютон; прискорення сили тяжіння на Землі становить близько 10 ньютонів на кілограм, який потрібно підняти). Тому необхідно прикласти до об’єкта силу 100 Н.
Використовуючи шківи, підйомники або інші системи, це можна зробити з набагато меншою силою. Насправді, маючи відповідне обладнання, ви могли б підняти машину або вантажівку силою рук.
Як це можливо ?
Концепція роботи
Робота, що виробляється силою, або "робота сили" - це енергія, яка вводиться в дію, коли застосування сили викликає еволюцію системи.
Якщо я поставлю на стіл 1 кг коробку молока висотою 1 м, нічого не рухається: сила сили є, але нічого не відбувається: роботи немає, енергії не задіяно.
Якщо зараз я поклав 1-кілограмову коробку з молоком туди ж, але там не було столу (тому я відпустив 1 м від землі), тоді цегла падає: відбувається еволюція і сила сили виробляє роботу: вона діє.
Робота сили - це енергія, тому вона вимірюється в джоулях (символ $ \ text $). У випадку, коли ця робота передбачає рух предмета, це залежить від прикладеної сили (більш-менш інтенсивної) та відстані, на яку переміщується об'єкт:
Таким чином, гравітаційне поле, яке призводить до падіння нашої 1-кілограмової коробки з молоком (отже, із силою 10 ньютонів) на висоту 1 м, дасть роботу 10 джоулів.
Якби висота була 10 метрів, робота склала б 100 джоулів.
Якби поле сили тяжіння було в шість разів слабшим, як на Місяці, тоді робота була б у шість разів меншою: 1,6 джоуля.
Підйомники
Таль, ось і все:
(картина)
Це набір шківів з мотузкою. Один із шківів закріплений, а другий прикріплений до предмета, який потрібно перемістити. Отже, якщо є лише одна нитка для натягування, це ніби об’єкт утримується двома нитками.
Коли ви натягуєте волосінь, тоді предмет піднімається вгору, але і шків, прикріплений до нього. Цікавою є різьба: якщо ми протягнемо нитку на 1 метр до нас, то 0,50 метра надходять від кожної з "двох ниток", якими утримується об'єкт:
Раптом, підтягнувши до себе метрова дріт, предмет піднімається на 0,50 метра.
Перевага підйомника в зменшенні тягової сили
Тепер зрозумійте, що відбувається з фізичної точки зору.
Без підйомника, лише руками, щоб підняти вагу 100 Н (близько 10 кг) з висоти 1 метра, необхідно докласти зусилля 100 Н догори і виконати роботу 100 Дж.
З підйомником, коли я натягую 1 метр на дріт, вага піднімається лише на 0,50 метра: сила, яку потрібно подолати (сила тяжіння), залишається незмінною, але висота зменшена вдвічі. Також передбачено роботу: 50 Дж.
Тепер давайте міркувати навпаки: якщо натягування на 1 метр дроту дає роботу 50 Дж, це ніби ми підняли предмет 5 кг без підйомника. Іншими словами, використання підйомника зменшило силу, необхідну для підняття предмета (але не роботи).
Отже, замість того, щоб вимагати, щоб великі руки піднімали 10 кг на один метр, просто менше рук і піднімання 5 кг на два метри !
Це як якщо б вам довелося переносити пакет води (12 кг) на перший поверх: чи простіше переносити пакет води одночасно, або транспортувати пляшки по одній, навіть якщо це означає 6-разову подорож? Зробити пляшки одну за одною тут простіше, навіть якщо ми більше ходимо.
Принцип підйомника працює точно так само: ви тягнете вдвічі більше довжини мотузки, але необхідна сила зменшується. Це не проблема: сила рук обмежена, але не довжина мотузки !
Зараз також є кілька підйомників з 3, 4 або більше шківами, тому ми розділимо силу на 3, 4 або більше. Тоді людина може піднімати дуже важкі тягарі.
Це використовується майже скрізь: наприклад, на вітрильниках, де все традиційно ручне, але також у ліфтах або на кранах: ми бачимо підйомники на фотографії заголовка, де 4 троси (отже, підйомник із подвійним шківом) тягнуть вантаж вгору.
Той самий принцип розподілу сил за допомогою різної довжини використовується в кривошипах, коробках передач, домкраті, гайковому ключі для послаблення гайки ...