المحتوى
يمكن إعداد العديد من المواقف المثيرة للاهتمام باستخدام البكرات لاختبار فهم الطلاب لقانون نيوتن الثاني للحركة وقانون الحفاظ على الطاقة وتعريف العمل في الفيزياء. يمكن العثور على أحد المواقف المفيدة بشكل خاص مما يسمى البكرة التفاضلية ، وهي أداة شائعة الاستخدام في المتاجر الميكانيكية للرفع الثقيل.
ميزة ميكانيكيه
كما هو الحال مع ذراع الرافعة ، فإن زيادة المسافة التي يتم استخدام القوة عليها ، مقارنةً بالمسافة التي يتم رفع الحمل بها ، تزيد من الميزة الميكانيكية ، أو الرافعة المالية. لنفترض أنه تم استخدام كتلتين من البكرات. واحد يعلق على الحمل. واحد يعلق أعلاه لدعم. إذا كان يجب رفع الحمل عن وحدات X ، فيجب أيضًا رفع كتلة البكرة السفلية على وحدات X. كتلة البكرة أعلاه لا تتحرك لأعلى أو لأسفل. لذلك ، يجب أن تقصر المسافة بين كتلي البكرة وحدات X. يجب أن تقصر أطوال الخط المحصور بين كتلتين من البكرات وحدات X. إذا كان هناك خطوط مثل Y ، فيجب على الساحب سحب وحدات X --- Y لرفع وحدات الحمل X. وبالتالي فإن القوة المطلوبة هي 1 / Y أضعاف وزن الحمل. يقال إن الميزة الميكانيكية هي Y: 1.
قانون حفظ الطاقة
هذه الرافعة المالية هي نتيجة لقانون الحفاظ على الطاقة. تذكر أن هذا العمل هو شكل من أشكال الطاقة. من خلال العمل ، نعني تعريف الفيزياء: القوة المطبقة على مسافة أوقات الحمل التي يتم خلالها نقل القوة بواسطة القوة. لذلك إذا كان الحمل هو Z Newtons ، فإن الطاقة التي يتطلبها رفع الوحدات X يجب أن تساوي العمل الذي قام به مجتذب. بمعنى آخر ، يجب أن تساوي Z --- X (القوة المطبقة بواسطة مجتذب) --- XY. لذلك ، القوة المطبقة من قبل مجتذب هي Z / Y.
بكرة التفاضلية
تنشأ معادلة مثيرة للاهتمام عندما تجعل الخط حلقة مستمرة ، ويكون للكتلة المعلقة من الدعم بكرتين ، واحدة أصغر قليلاً من الأخرى. لنفترض أيضًا أن البكرتين في الكتلة متصلة بحيث تدوران معًا. استدعاء نصف قطر البكرات "R" و "r" ، حيث R> r.
إذا سحب الشد خطًا كافيًا لتدوير البكرات الثابتة خلال دورة واحدة ، يكون قد سحب خط 2πR. بعد ذلك ، استحوذت البكرة الأكبر على خط 2πR من دعم الحمل. تدور البكرة الأصغر في نفس الاتجاه ، مما يترك 2πr من الخط للحمل. وبالتالي فإن الحمل يرتفع 2πR-2πr. الميزة الميكانيكية هي المسافة المسحوبة مقسومة على المسافة المرفوعة ، أو 2πR / (2πR-2πr) = R / (R-r). لاحظ أنه في حالة اختلاف نصف القطر بنسبة 2 في المائة فقط ، فإن الميزة الميكانيكية تبلغ 50 إلى 1.
هذه البكرة تسمى البكرة التفاضلية. بل هو لاعبا اساسيا مشترك في محلات تصليح السيارات. لها خاصية مثيرة للاهتمام وهي أن الخط الذي تسحبه ساحبة يمكن تعليقه أثناء تحميل الحمل عالياً ، لأن هناك دائمًا احتكاكات كافية تمنعه القوى المعاكسة على البكرتين من الدوران.
قانون نيوتن الثاني
لنفترض أن هناك كتلتين متصلتين ، واحدة ، اسميها M1 ، معلقة على بكرة. ما مدى سرعة تسريعها؟ يتعلق قانون نيوتن الثاني بالقوة والتسارع: F = ma. كتلة الكتلتين معروفة (M1 + M2). التسارع غير معروف. تُعرف القوة من سحب الجاذبية على M1: F = ma = M1 --- g ، حيث g هو تسارع الجاذبية على سطح الأرض.
ضع في اعتبارك أن M1 و M2 سيتم تسريعهما معًا. العثور على تسارعها ، a ، هو مجرد مسألة استبدال في الصيغة F = ma: M1 --- g = (M1 + M2) a. بالطبع ، إذا كان الاحتكاك بين M2 والجدول أحد القوى التي يجب على F = M1 --- g أن تعارضها ، عندئذٍ تُضاف هذه القوة بسهولة إلى الجانب الأيمن من المعادلة أيضًا ، قبل التسارع ، a ، حل ل.
المزيد من كتل معلقة
ماذا لو كلتا الكتل معلقة؟ ثم يحتوي الجانب الأيسر للمعادلة على اثنين من الإضافات بدلاً من واحدة فقط. سوف تنتقل الكتلة الأفتح في الاتجاه المعاكس للقوة الناتجة ، نظرًا لأن الكتلة الأكبر تحدد اتجاه النظام ثنائي الكتلة ؛ لذلك ، يجب طرح قوة الجاذبية على الكتلة الأصغر. افترض M2> M1. ثم يتغير الجانب الأيسر أعلاه من M1 --- g إلى M2 --- g-M1 --- g. تبقى اليد اليمنى كما هي: (M1 + M2) تسريع ، a ، ثم يتم حلها تافهة حسابيا.