المحتوى
- أساسيات الفيزياء النيوتونية
- نظرة عامة على الآلات البسيطة
- أساسيات رافعة
- عزم الدوران واللحظات في الفيزياء
- المصطلحات وأنواع العتلات
- أمثلة رافعة مركبة
- حساب ذراع قوة الذراع
تقريبا الجميع يعرف ما رافعة هو ، على الرغم من أن معظم الناس قد يفاجأ لمعرفة مدى مجموعة واسعة من ماكينات بسيطة التأهل على هذا النحو.
بالمعنى العام للكلمة ، فإن الرافعة هي أداة تُستخدم "لاقتلاع" شيء ما بطريقة لا يستطيع أي جهاز آخر غير محرك إدارته ؛ في اللغة اليومية ، يقال إن الشخص الذي تمكن من الحصول على شكل فريد من أشكال القوة على الموقف لديه "قوة".
يعد التعرف على الرافعات وكيفية تطبيق المعادلات المتعلقة باستخدامها أحد أكثر العمليات المجزية عرضًا للفيزياء التمهيدية. ويشمل قليلا عن القوة وعزم الدوران ، ويقدم مفهوم مكافحة بديهية ولكن حاسمة ل مضاعفة القوى، ويطالبك بالمفاهيم الأساسية مثل عمل وأشكال الطاقة في الصفقة.
واحدة من المزايا الرئيسية للرافعات هي أنه يمكن "تكديسها" بسهولة بطريقة تجعلها ذات أهمية ميزة ميكانيكيه. تساعد حسابات الرافعة المركبة على توضيح مدى قوة "السلسلة" المصممة جيدًا للآلات البسيطة ، لكنها متواضعة.
أساسيات الفيزياء النيوتونية
إسحاق نيوتن (1642-1726) ، بالإضافة إلى الفضل في المشاركة في اختراع الانضباط الرياضي لحساب التفاضل والتكامل ، وسعت من عمل غاليليو غاليلي لتطوير علاقات رسمية بين الطاقة والحركة. على وجه التحديد ، اقترح ، من بين أشياء أخرى ، ما يلي:
الأشياء تقاوم التغييرات التي تطرأ على سرعتها بطريقة تتناسب مع كتلتها (قانون القصور الذاتي ، قانون نيوتن الأول) ؛
كمية تسمى فرض يعمل على الجماهير لتغيير السرعة ، وهي عملية تسمى تسارع (F = أماه، نيوتن القانون الثاني) ؛
كمية تسمى قوة الدفع، نتاج الكتلة والسرعة ، مفيد للغاية في العمليات الحسابية حيث يتم حفظه (أي أن إجمالي قيمته لا يتغير) في الأنظمة الفيزيائية المغلقة. مجموع طاقة يتم حفظها أيضا.
الجمع بين عدد من عناصر هذه العلاقات يؤدي إلى مفهوم عمل، الذي القوة تضاعفت من خلال المسافة: W = الفوركس. من خلال هذه العدسة تبدأ دراسة العتلات.
نظرة عامة على الآلات البسيطة
العتلات تنتمي إلى فئة من الأجهزة المعروفة باسم ماكينات بسيطة، والذي يشمل أيضا التروس ، البكرات ، الطائرات المائلة ، الأوتاد و مسامير. (كلمة "آلة" نفسها تأتي من كلمة يونانية تعني "المساعدة في تسهيل الأمر.")
تشترك جميع الأجهزة البسيطة في سمة واحدة: تتضاعف القوة على حساب المسافة (وغالبًا ما تكون المسافة المضافة مخفية بذكاء). يؤكد قانون الحفاظ على الطاقة أنه لا يوجد نظام يمكن أن "يخلق" العمل من لا شيء ، ولكن بسبب W = Fx ، حتى لو كانت قيمة W مقيدة ، فإن المتغيرين الآخرين في المعادلة ليسا كذلك.
متغير الاهتمام في آلة بسيطة هو لها ميزة ميكانيكيه، وهي مجرد نسبة قوة الخرج إلى قوة الدخل: ماجستير = واوس/Fأنا. في كثير من الأحيان ، يتم التعبير عن هذه الكمية كـ ميزة ميكانيكية مثاليةأو IMA ، وهي الميزة الميكانيكية التي ستستمتع بها الآلة إن لم تكن هناك قوى احتكاك.
أساسيات رافعة
الرافعة البسيطة عبارة عن قضيب صلب من نوع ما يكون مجانيًا في محور نقطة ثابتة تسمى a نقطة إرتكاز إذا تم تطبيق القوات على رافعة. يمكن أن تقع نقطة ارتكاز في أي مسافة على طول رافعة. إذا كانت الرافعة تواجه قوى في شكل عزم الدوران ، وهي قوى تتصرف حول محور الدوران ، فلن تتحرك الرافعة بشرط أن يكون مجموع القوى (عزم الدوران) المؤثر على القضيب صفراً.
عزم الدوران هو نتاج قوة مطبقة بالإضافة إلى المسافة من نقطة ارتكاز. وبالتالي نظام يتكون من رافعة واحدة تخضع لقوتين F1 و F2 على مسافات س1 و x2 من نقطة ارتكاز هو في حالة توازن عندما F1إكس1 = F2إكس2.
من بين تفسيرات صحيحة أخرى ، تعني هذه العلاقة أن القوة القوية التي تعمل على مسافة قصيرة يمكن موازنتها بدقة (مع افتراض عدم وجود خسائر في الطاقة بسبب الاحتكاك) من خلال قوة أضعف تعمل على مسافة أطول وبطريقة متناسبة.
عزم الدوران واللحظات في الفيزياء
تُعرف المسافة من نقطة ارتكاز إلى النقطة التي يتم عندها تطبيق القوة على رافعة باسم ذراع الرافعة، أو ذراع لحظة. (في هذه المعادلات ، تم التعبير عن ذلك باستخدام "x" للبساطة المرئية ؛ قد تستخدم مصادر أخرى صغيرة "l.")
ليس من الضروري أن تعمل عزم الدوران في الزوايا اليمنى للرافعات ، على الرغم من أي قوة مطبقة معينة ، فإن الزاوية (أي 90 درجة) تعطي أقصى قدر من القوة لأن الأمر ببساطة إلى حد ما هو الخطيئة 90 ° = 1.
ولكي يكون الجسم في حالة توازن ، يجب أن تكون مبالغ القوى وعزم الدوران الذي يعمل على ذلك الجسم صفراً. هذا يعني أن جميع عزم الدوران في اتجاه عقارب الساعة يجب أن تكون متوازنة بالضبط من عزم الدوران عكس عقارب الساعة.
المصطلحات وأنواع العتلات
عادةً ما تكون فكرة تطبيق القوة على رافعة هي تحريك شيء ما من خلال "الاستفادة" من التسوية المضمونة ثنائية الاتجاه بين القوة وذراع الرافعة. القوة التي تحاول معارضتها تسمى قوة المقاومة، وقوة المدخلات الخاصة بك المعروفة باسم قوة الجهد. يمكنك إذن التفكير في أن قوة الخرج تصل إلى قيمة قوة المقاومة في اللحظة التي يبدأ فيها الكائن في الدوران (أي عندما لا تتحقق شروط التوازن.
بفضل العلاقات بين العمل والقوة والمسافة ، يمكن التعبير عن MA كما
ماجستير = واوص/Fالبريد = دالبريد/دص
أين دالبريد هي المسافة التي يتحرك فيها ذراع الجهد (بالتناوب) ودص هي المسافة التي يتحرك ذراع ذراع المقاومة.
العتلات تأتي في ثلاثة أنواع.
أمثلة رافعة مركبة
أ رافعة مركبة هي سلسلة من الروافع التي تعمل في تناسق ، بحيث تصبح قوة الخرج لرافعة واحدة هي قوة الإدخال للرافعة التالية ، مما يتيح في النهاية الحصول على درجة هائلة من مضاعفة القوة.
تمثل مفاتيح البيانو مثالًا واحدًا على النتائج الرائعة التي يمكن أن تنشأ من آلات البناء التي تتميز بأذرع مركبة. مثال أسهل لتصور هو مجموعة نموذجية من كليبرز الأظافر. مع هذه ، يمكنك تطبيق القوة على المقبض الذي يجمع قطعتين من المعدن معًا بفضل المسمار. يتم ربط المقبض بالجزء العلوي من المعدن بواسطة هذا المسمار ، مما يؤدي إلى نقطة ارتكاز واحدة ، ويتم ربط القطعتين بنقطة ارتكاز ثانية في الطرف المقابل.
لاحظ أنه عند تطبيق القوة على المقبض ، فإنه يتحرك بعيدًا (إن لم يكن سوى بوصة واحدة أو نحو ذلك) عن نهايتي القطع المقصية الحادة ، والتي تحتاج فقط إلى تحريك بضع ملليمترات للإغلاق معًا وتؤدي وظيفتها. القوة التي تطبقها تتضاعف بسهولة بفضل دص كونها صغيرة جدا.
حساب ذراع قوة الذراع
يتم تطبيق قوة من 50 نيوتن (N) في اتجاه عقارب الساعة على مسافة 4 أمتار (م) من نقطة ارتكاز. ما هي القوة التي يجب تطبيقها على مسافة 100 متر على الجانب الآخر من نقطة ارتكاز لتحقيق التوازن بين هذا الحمل؟
هنا ، قم بتعيين المتغيرات وإعداد نسبة بسيطة. F1= 50 ن ، س1 = 4 م و س2 = 100 م.
أنت تعرف أن F1إكس1 = واو2إكس2، لذلك س2 = واو1إكس1/F2 = (50 نون) (4 م) / 100 م = 2 ن.
وبالتالي هناك حاجة إلى قوة صغيرة فقط لتعويض عبء المقاومة ، طالما كنت على استعداد للوقوف على طول ملعب كرة القدم بعيداً لإنجازه!