Kako vzvod deluje in kaj lahko naredi?

Neil Beckerman/Getty Images

Vzvodi so povsod okoli nas in v nas, saj osnovni fizikalni principi vzvoda omogočajo našim kitam in mišicam, da premikajo okončine. Znotraj telesa kosti delujejo kot nosilci, sklepi pa kot oporne točke.

Legenda pravi, da je Arhimed (287–212 pr. n. št.) nekoč slavno rekel: »Daj mi mesto, da stojim, in z njim bom premaknil Zemljo«, ko je odkril fizikalna načela za vzvodom. Čeprav bi bil potreben hudičevo dolg vzvod, da bi dejansko premaknili svet, je izjava pravilna kot dokaz, kako lahko zagotovi mehansko prednost. Slavni citat je Arhimedu pripisal poznejši pisec Papus iz Aleksandrije. Arhimed tega verjetno nikoli ni nikoli rekel. Vendar pa je fizika vzvodov zelo natančna.

Kako delujejo vzvodi? Kakšna so načela, ki urejajo njihovo gibanje?

Kako delujejo vzvodi?

Ročica je a preprost stroj ki je sestavljen iz dveh materialnih komponent in dveh delovnih komponent:

• Žarek ali trdna palica
• Oporna ali vrtilna točka
• Vhodna sila (oz trud )
• Izhodna sila (oz obremenitev oz odpornost )

Žarek je nameščen tako, da se del le-tega naslanja na oporišče. Pri tradicionalnem vzvodu ostane oporna točka v mirujočem položaju, medtem ko se sila uporablja nekje vzdolž dolžine žarka. Žarek se nato vrti okoli oporne točke in izvaja izhodno silo na nekakšen predmet, ki ga je treba premakniti.

Starogrškemu matematiku in zgodnjemu znanstveniku Arhimedu običajno pripisujejo, da je bil prvi, ki je odkril fizikalne principe, ki urejajo obnašanje vzvoda, kar je izrazil v matematičnih izrazih.

Ključni koncepti pri delu pri vzvodu so, da ker gre za trden žarek, je skupni navor na en konec vzvoda se bo manifestiral kot enakovreden navor na drugem koncu. Preden se lotimo razlage tega kot splošnega pravila, si poglejmo konkreten primer.

Uravnoteženje na ročici

Predstavljajte si dve gmoti, ki sta uravnoteženi na nosilcu čez oporišče. V tej situaciji vidimo, da obstajajo štiri ključne količine, ki jih je mogoče izmeriti (te so tudi prikazane na sliki):

• M ₁- Masa na enem koncu oporne točke (vhodna sila)
• a - Razdalja od oporne točke do M ₁
• M _dva- Masa na drugem koncu osi (izhodna sila)
• b - Razdalja od oporne točke do M _dva

Ta osnovna situacija osvetljuje razmerja teh različnih količin. Upoštevati je treba, da gre za idealiziran vzvod, zato razmišljamo o situaciji, ko ni prav nobenega trenja med nosilcem in oporiščem ter da ni nobenih drugih sil, ki bi vrgle ravnotežje iz ravnovesja, kot vetrič .

Ta postavitev je najbolj znana iz osnovne luske , ki se je skozi zgodovino uporabljal za tehtanje predmetov. Če so razdalje od oporne točke enake (izraženo matematično kot a = b ) potem se bo vzvod uravnotežil, če sta uteži enaki ( M ₁= M _dva). Če uporabljate znane uteži na eni strani tehtnice, lahko enostavno določite težo na drugi strani tehtnice, ko se ročica uravnoteži.

Situacija postane veliko bolj zanimiva seveda, ko a ni enako b . V tej situaciji je Arhimed odkril, da obstaja natančno matematično razmerje - pravzaprav enakovrednost - med produktom mase in razdalje na obeh straneh vzvoda:

M ₁ a = M _dva b

Če uporabimo to formulo, vidimo, da če podvojimo razdaljo na eni strani vzvoda, potrebujemo polovico manj mase, da jo uravnotežimo, na primer:

a = 2 b
M ₁ a = M _dva b
M ₁(dva b ) = M _dva b
dva M ₁= M _dva
M ₁= 0,5 M _dva

Ta primer je temeljil na zamisli o množicah, ki sedijo na vzvodu, vendar masa lahko nadomesti s čimer koli, kar izvaja fizično silo na vzvod, vključno s človeško roko, ki pritiska nanj. To nam daje osnovno razumevanje potencialne moči vzvoda. Če je 0,5 M _dva= 1000 funtov, potem postane jasno, da bi to lahko uravnotežili s 500-funtsko utežjo na drugi strani samo s podvojitvijo razdalje vzvoda na tej strani. če a = 4 b , potem lahko uravnotežite 1000 funtov s samo 250 funti sile.

Tu dobi izraz 'vzvod' svojo splošno definicijo, ki se pogosto uporablja zunaj področja fizike: uporaba relativno manjše količine moči (pogosto v obliki denarja ali vpliva) za pridobitev nesorazmerno večje prednosti glede na rezultat.

Vrste vzvodov

Ko uporabljamo vzvod za opravljanje dela, se ne osredotočamo na mase, ampak na idejo izvajanja vnosa sila na ročici (imenovani trud ) in pridobivanje izhodne sile (imenovane obremenitev oz odpornost ). Tako na primer, ko uporabite lomilko, da dvignete žebelj, izvajate silo napora, da ustvarite izhodno uporno silo, ki izvleče žebelj.

Štiri komponente vzvoda je mogoče kombinirati na tri osnovne načine, kar ima za posledico tri razrede vzvodov:

• Vzvodi razreda 1: Tako kot zgoraj obravnavane tehtnice je to konfiguracija, kjer je oporišče med vhodno in izhodno silo.
• Vzvodi razreda 2: Upor nastane med vhodno silo in oporiščem, na primer pri samokolnici ali odpiraču za steklenice.
• Ročice razreda 3 : Oporna točka je na enem koncu, upor pa na drugem koncu, z naporom med obema, na primer s pinceto.

Vsaka od teh različnih konfiguracij ima različne posledice za mehansko prednost, ki jo zagotavlja vzvod. Razumevanje tega vključuje razčlenitev 'zakona vzvoda', ki ga je prvi uradno razumel Arhimed .

Zakon vzvoda

Osnovno matematično načelo vzvoda je, da se lahko na podlagi razdalje od oporne točke določi, kako sta vhodna in izhodna sila medsebojno povezani. Če vzamemo prejšnjo enačbo za uravnoteženje mas na vzvodu in jo posplošimo na vhodno silo ( F_jaz ) in izhodna sila ( F_O ), dobimo enačbo, ki v bistvu pravi, da se bo navor ohranil, ko bo uporabljen vzvod:

F_jaza = F_Ob

Ta formula nam omogoča ustvarjanje a formula za „mehansko prednost“ vzvoda, ki je razmerje med vhodno silo in izhodno silo:

Mehanska prednost = a / b = F_O / F_jaz

V prejšnjem primeru, kjer a = 2 b , mehanska prednost je bila 2, kar je pomenilo, da je bilo mogoče uporabiti napor 500 funtov za uravnoteženje upora s 1000 funti.

Mehanska prednost je odvisna od razmerja a do b . Za ročice razreda 1 je to mogoče konfigurirati na kakršen koli način, vendar ročice razreda 2 in 3 postavljajo omejitve na vrednosti a in b .

• Pri vzvodu razreda 2 je upor med naporom in oporiščem, kar pomeni, da a < b . Zato je mehanska prednost vzvoda razreda 2 vedno večja od 1.
• Pri vzvodu razreda 3 je napor med uporom in oporiščem, kar pomeni, da a > b . Zato je mehanska prednost vzvoda razreda 3 vedno manjša od 1.

Pravi vzvod

Enačbe predstavljajo an idealiziran model kako vzvod deluje. Obstajata dve osnovni predpostavki, ki se nanašata na idealizirano situacijo, ki lahko stvari v resničnem svetu zavrže:

• Žarek je popolnoma raven in neprožen
• Oporišče nima trenja z žarkom

Tudi v najboljših situacijah v resničnem svetu so te le približno resnične. Oporno točko je mogoče oblikovati z zelo nizkim trenjem, vendar skoraj nikoli ne bo imela ničelnega trenja v mehanskem vzvodu. Dokler ima žarek stik z oporiščem, bo prisotno nekakšno trenje.

Morda je še bolj problematična predpostavka, da je žarek popolnoma raven in neprožen. Spomnite se prejšnjega primera, ko smo uporabili 250-funtsko utež za uravnoteženje 1000-funtske uteži. Oporišče bi v tej situaciji moralo vzdržati vso težo, ne da bi se povesilo ali zlomilo. Ali je ta predpostavka razumna, je odvisno od uporabljenega materiala.

Razumevanje vzvodov je koristna veščina na različnih področjih, od tehničnih vidikov strojništva do razvoja lastnega najboljšega režima bodybuildinga.