Dodaj do listy

Maszyny proste

Maszyny proste są to urządzenia, które w swoim działaniu wykorzystują różne prawa fizyczne, tak aby używając jak najmniejszej siły przesunąć, podnieść lub rozszczepić jakieś ciało. Główną zasadą ich działania jest to, że praca jaką należałoby wykonać aby daną czynność wykonać jest zamieniona na tą samą pracę, jednak przy wykorzystaniu znacznie mniejszej siły, ale zwiększeniu drogi na której ta siła ma działać. Tak, więc, ważne jest aby pamiętać, że z fizycznego punktu widzenia maszyny proste nie zmniejszają potrzebnej pracy do wykonania określonej czynności, a jedynie ułatwiają człowiekowi jej wykonanie. Często się zdarza, że maszyny proste stanowią elementy składowe maszyn bardziej skomplikowanych.

Przykłady maszyn prostych:

- dźwignia jednostronna

- dźwignia dwustronna

- klin

- śruba

- bloczki

- równia pochyła

- przekładnia zębata

- kołowrót

Od kiedy znamy maszyny proste?

Otóż były one znane już w starożytności. Już Arystoteles w swoich pracach opisywał takie urządzenia jak dźwignie i bloczki, a było to w IV w. p.n.e. Według pozostałych zapisów, także Archimedes znał te urządzenia. Wykorzystując dźwignie, bloczki i maszyny proste udało mu się zwodować jeden ze statków, którym był trójmasztowiec Syrakuzja.

Obecne zastosowanie maszyn prostych.

Maszyny proste obecnie wykorzystuje się praktycznie wszędzie. Począwszy od lekcji fizyki, gdzie z ich wykorzystaniem tłumaczone są uczniom podstawowe prawa fizyczna, poprzez place budowy, gdzie wykorzystuje się je do przenoszenia i podnoszenia różnych materiałów, kończąc na wyspecjalizowanych robotach. W wielu aspektach życia codziennego spotykamy się z maszynami prostymi. To dzięki nim korzystamy z takich urządzeń jak rower, huśtawka, nożyczki, obcęgi, czy wagi.

Dźwignia

Dźwignie najczęściej stanowi kawałek pręta, deski, lub zwyczajny kij. Model dźwigni możemy stworzyć przy pomocy zwykłej linijki, jak to pokazano na rysunku poniżej:

W przypadku takiej linijki, mamy do czynienia z dźwignią dwustronną. Jeśli spojrzymy na rysunek, to zauważymy, że na jednym końcu dźwigni ustawiono dwie bateryjki, a na drugim jedną. Dzięki temu, że odległość dwóch bateryjek od środka dźwigni jest 2 razy mniejsza od odległości w jakiej znajduje się pojedyncza bateryjka, to dźwignia znajduje się w stanie równowagi. Punktem podparcia dla naszej dźwigni jest położony ołówek.

Dźwignie bardzo często wykorzystywane są przy podnoszeniu bardzo ciężkich przedmiotów. Dźwignia sprawia, że aby podnieść dane ciało, możemy użyć siły dużo mniejszej, niż ciężar tego ciała. Oprócz tego, dźwignia może także służyć do przetaczania różnych przedmiotów, czy rozdzielania od siebie mocno ze sobą połączonych ciał, jak to jest w przypadku "łapy" służącej do wyciągania gwoździ.

Dźwignie możemy podzielić na dwa rodzaje, ze względu na to gdzie usytuowany jest punkt podparcia takiej dźwigni. I tak wyróżniamy:

- dźwignie dwustronną

- dźwignie jednostronną

Na rysunkach, trójkątem zielonym został oznaczony punkt podparcia.

Z punktu widzenia teoretycznego, za pomocą można by podnieść dowolny ciężar, o ile tylko miałoby się odpowiedniej długości dźwignię i punkt podparcia. Już sam Arystoteles powiedział: "Dajcie mi tylko punkt podparcia, a poruszę Ziemię". Jednak w rzeczywistości jest to praktycznie niemożliwe. Otóż, każdy materiał charakteryzuje się określoną wytrzymałością. Więc kiedy ciężar ciała przekroczy wytrzymałość takiej dźwigni, to może dojść do jej zgięcia, a w ostateczności do jej złamania. Wracając jeszcze do słów Arystotelesa, to jak wszyscy doskonale wiemy, Ziemia Ziemia trzecia w odległości od Słońca planeta Układu Słonecznego, oddalona od Słońca o ok. 149,6 mln km, piąta co do wielkości. Kształtem zbliżona do elipsoidy obrotowej powstałej w wyniku jej obrotowego ruchu,... Czytaj dalej Słownik geograficzny już sama się porusza. Krąży ona wokół Słońca po orbicie, a dodatkowo obraca się wokół własnej osi. Więc nie ma potrzeby jej dodatkowo poruszać

Dźwignia dwustronna

Dźwignię dwustronną najczęściej tworzy kawałek drewna, belka, lub metalowy pręt. Oprócz tego w skład dźwigni wchodzi także punkt podparcia, który to powinien być niewielkim wzniesieniem, wystającym z podłoża. Punkt ten powinien znajdować się pomiędzy końcami belki. Punkt podparcia stanowi także punkt, wokół którego dźwignia może się obracać - wyznacza jej oś obrotu. Na jednym z końców dźwigni powinien się znajdować ciężar, który to zamierzamy podnieść.

Powyżej mamy już wcześniej wykorzystany rysunek. Widzimy, że w tym wypadku rolę dźwigni dwustronnej spełnia linijka, natomiast punktem podparcia jest ołówek. W sytuacji przedstawionej na rysunku mamy dwa ciała o różnych masach, które są tak rozłożone na dźwigni, że pozostaje ona w stanie równowagi. Jednak najczęściej dźwignię wykorzystuje się do pokonania ciężaru danego ciała, poprzez zastosowanie innej siły, mniejszej od tego ciężaru. Przy opisie sił działających na dźwignię korzysta się z dwóch pojęć - dwóch rodzajów sił:

- siła użyteczna - jest to siła która jest na potrzebna do określonej czynności (np. do podniesienia ciała) - jest to na ogół większa siła

- siła działania - jest to siła z jaką musimy podziałać na jeden z końców dźwigni, aby zamienić ją na siłę użyteczną

Jak widzimy na rysunku, punkt podparcia wyznacza oś obrotu, która znajduje się pomiędzy siłą użyteczną, a siłą działania. Dzięki temu zwroty obu sił są do siebie przeciwnie skierowane. Aby podnieść ciało do góry musimy zadziałać siłą działania, która jest mniejsza od siły obciążenia, a która jest zamieniana na siłę użyteczną, równoważącą ciężar ciała. =

Ramiona dźwigni dwustronnej

W dźwigni dwustronnej można wyróżnić dwa ramiona:

- ramię siły działania, które to rozciąga się od punktu podparcia do punktu zaczepienia wektora siły działania

- ramię siły użytecznej, które to rozciąga się o punktu podparcia do punktu zaczepienia wektora siły użytecznej

Przekładnia dźwigni dwustronnej

Jest to zysk, jaki uzyskamy poprzez zastosowanie dźwigni. Określa się go jako stosunek:

Wartość ta wyraża się wzorem:

Dźwignia dwustronna ma wiele zalet. Przede wszystkim, aby podnieść jakieś ciało, należy na jeden z końców dźwigni działać siłą skierowaną w "dół". A jak wszyscy wiemy, znacznie łatwiej człowiekowi napierać w ten sposób na ramię, niż gdyby je miał podnosić do góry.

Przykład wykorzystania dźwigni dwustronnej

Mamy dla przykładu podnieść ciało, którego ciężar wynosi 100 N i chcemy to osiągnąć dysponując siłą 50 N. Aby tego dokonać ramię siły działania powinno być długie na 40 cm, natomiast ramię siły użytecznej powinno mieć długość 20 cm. Przekładnia takiej dźwigni jak łatwo policzyć wynosi 2.

Dźwignia jednostronna

Dźwignia jednostronna także jest wykorzystywana do podnoszenia ciężkich przedmiotów, czy ich podważania. Jest to taki sam rodzaj Rodzaj jednostka systematyczna - jedna z kategorii w systemie klasyfikacji roślin i zwierząt, wyższa od gatunku, a niższa od rodziny, np. rodzaj szczur obejmuje gatunki: szczur śniady, szczur wędrowny; rodzaj... Czytaj dalej Słownik biologiczny belki, drążka, czy pręta, jak w przypadku dźwigni dwustronnej, jednak z tą różnicą, że punkt podparcia znajduje się na jednym z jej końców. W tym wypadku siła działania jest przyłożona po tej samej stronie osi obrotu co siła użyteczna.

Na powyższym rysunku przedstawiono przykład działania dźwigni jednostronnej. Siła jaką należy podziałać, aby utrzymać trzy bateryjki jest tym mniejsza, im bliżej znajdują się one punktu podparcia.

Z kolei na poniższym rysunku widzimy rozrysowane siły jakie działają na przedmiot umieszczony na dźwigni, oraz siły działające na dźwignię. Jak widać podniesienie przedmiotu wymaga użycia siły działania, która to jest mniejsza od ciężaru siły. Zauważmy też, że inaczej niż to było w przypadku dźwigni dwustronnej, tym razem siła działania i siła użyteczna mają zwroty skierowane w tym samym kierunku.

Ramiona dźwigni jednostronnej

Dźwignia jednostronna, podobnie jak i dwustronna posiada dwa ramiona. Z tą jednak różnicą, że oba one znajdują się po tej samej stronie osi obrotu dźwigni (z racji tego, że punktu podparcia znajduje się na jednym z końców dźwigni) i co więcej ramiona te po części nakładają się na siebie

Przekładania dźwigni jednostronnej

Przekładnia, czyli zyska na sile wyraża się w przypadku dźwigni jednostronnej tak samo jak w przypadku dźwigni dwustronnej, czyli:

Oraz w postaci wzoru:

Przykład wykorzystania dźwigni jednostronnej

Dla przykładu rozpatrzymy sytuację w której chcemy podnieść ciężar 90 N, wykorzystując do tego siłę o wartości 30 N.

Jak łatwo policzyć, przekładnia dla takiej dźwigni wynosi 3.

Kołowrót

Zasada działania kołowrotu jest praktycznie identyczna z zasadą działania dźwigni. Różnica polega na tym, że korzystając z kołowrotu, można podnosić i przesuwać przedmioty na znaczne odległości. Poza tym kołowrót jest mechanizmem bardziej skomplikowanym od dźwigni, gdyż składa się z takich elementów, jak korba, wał, czy linka.

Kołowrót pod względem działania, może w pewnych momentach przypominać mechanizm działania dźwigni jednostronnej, a w innych dwustronnej

Na rysunku poniżej przedstawiono kołowrót w takiej pozycji, która może być porównana do dźwigni jednostronnej z dołączonym wałem:

Natomiast na kolejnym rysunku możemy zobaczyć, że mechanizm działania kołowrotu jest identyczny jak w przypadku działania dźwigni dwustronnej, lecz także z dołączonym wałem.

Przekładnia kołowrotu

Jeśli chodzi o zysk na sile, jakiego może dostarczyć kołowrót, to wyraża się on poprzez:

Oraz pod postacią wzoru:

Równia pochyła

Równia pochyła jest obiektem bardzo często wykorzystywanym przez nauczycieli do demonstracji podstawowych sił działających na ciało. Przez to też, równia stała się zmorą wszystkich uczniów, szczególnie w pierwszych ich etapach poznawania fizyki. Dzięki równi pochyłej można stosunkowo łatwo, z punktu widzenia nauczyciela wytłumaczyć uczniom, zasady, jakie stosuje się w mechanice do opisania sił działających na dane ciało.

Równia pochyła to najczęściej deska położona pod pewnym kątem do poziomu. Dzięki zastosowaniu równi pochyłej, możliwe staje się wyniesienie ciała obdarzonego ciężarem na znaczną wysokość, przy stosunkowo niewielkiej sile działającej na to ciało (mniejszej od jego ciężaru). Dzięki temu, że powierzchnia równi jest nachylona pod pewnym kątem do poziomu, siła ciężkości działająca na ciało rozkłada się na dwie składowe. Aby przesunąć ciało w górę równi musimy zastosować tylko siłę przewyższającą jedną z tych składowych. Chociaż droga w tym wypadku jest większa, niż gdyby to ciało bezpośrednio podnieść do góry, to siła do potrzebna na wyniesienie ciała na tą wysokość jest znacznie mniejsza. Z zastosowaniem równi pochyłej, spotykamy się na każdym kroku w naszym życiu codziennym. Np. aby umożliwić samochodem wjechanie na jakąś wysokość, buduje się drogi nachylone pod pewnym kątem do poziomu, ponieważ samochód nie mógłby wjechać na dane wzniesienie po pionowej ścianie. Samochód nie ma takiej mocy, aby pokonać własny ciężar, dlatego siła ciężkości musi zostać rozłożona za pomocą równi na składowe.

Klin

Klin jest szczególnym wykorzystaniem równi pochyłej. Jest on wykorzystywany do rozdzielania silnie ze sobą połączonych powierzchni, lub wręcz do rozdzielania ciał na części (np. do rozszczepiania kawałków drewna).

Klin jest bardzo efektywnym narzędziem, ponieważ może dostarczać bardzo dużego zysku na sile.

Przekładnia klina

Przekładnia klina, czyli zysk na sile wyraża się wzorem: