Шків не використовує паливо та електрику, і він не працює самостійно, але все одно це машина. Не машина в тому, як слово визначається словником Merriam-Webster, а машина в тому, як інженери визначають слово: "Прості машини - це пристрої, які можна використовувати для множення чи збільшення сили, яку ми застосовуємо - часто за рахунок відстані, через яку ми застосовуємо силу ».
Кредит: gaspr13 / iStock / GettyImagesЯка велика вага злітає шків?Кожна машина має механічну перевагу
У список простих машин входять предмети, якими користуються люди щодня, такі як молотки, викрутки та дверні ручки. Усі ці інструменти належать до однієї з шести класичних категорій простих машин. Категорії:
- Колесо і вісь
- Шків
- Важіль
- Похила площина
- Гвинт
- Клин
Деякі вчені розглядають гвинт і клин як особливі типи похилих площин, що зменшує список до чотирьох записів. Ви навіть можете розглядати шків як особливий корпус колеса і осі і зменшити список до трьох предметів. Незважаючи на те, скільки предметів є у списку, шківа кваліфікується як машина.
Відношення вихідної сили машини до сили, яку ви застосовуєте до неї, називається машиною механічна перевага (МА). Щоб машина була машиною, вихідна сила повинна бути більшою за вхідну силу, а значить, механічна перевага завжди повинна бути більшою за 1. Чим більша механічна перевага, тим менша сила, яку потрібно вкласти в машину, щоб зробити її робота.
Механічна перевага системи шківів
Можна обчислити механічну перевагу шківної системи, обчисливши силу, необхідну для підняття вантажу на певну висоту без шківа (вихідна сила, FО) і потім обчислюють силу, необхідну для виконання цього з шківом (вхідна сила FЯ). Механічною перевагою є відношення вихідної сили до вхідної сили: MA = FО/ ЖЯ. Чим менше вхідна сила по відношенню до вихідної сили, тим більша механічна перевага.
Для простої системи шківів, обчислення її механічної переваги смішно просто. Ви просто підраховуєте кількість мотузок, які підтримують навантаження.
Коли ви дізнаєтесь механічну перевагу, ви зможете розрахувати силу, необхідну для підняття відомої ваги. Сила та вага означають одне і те ж, тож обчисливши механічну перевагу, ви зможете розібратися у зменшенні навантаження шківа.
Щоб отримати механічну перевагу, вам доведеться натягнути більше мотузки
"Зачекай", ти кажеш. "Звідки ви знаєте, що механічна перевага дорівнює кількості мотузок?" Щоб відповісти на це запитання, потрібно знати, що робота це, а не той вид роботи, який ви виконуєте на своїй роботі від 9 до 5.
Що стосується фізиків, ви працюєте (W), застосовуючи силу (F) на відстань (d). Роботу ви обчислюєте, множивши силу на відстань:
W = F • d.
Робота пов'язана з енергією, і оскільки один із найважливіших законів природи полягає в тому, що енергія завжди зберігається, працю потрібно берегти. Якщо сила, прикладена до шківної системи, менша за силу, необхідну для підняття вантажу, щось повинно змінитися, щоб обсяг роботи, яку ви виконуєте, дорівнював обсягу роботи, необхідної для підняття вантажу.
Кількість, яка змінюється, - відстань. Ви піднімаєте навантаження менше, коли використовуєте шківну систему, але вам потрібно натягнути більше мотузки, щоб підняти вантаж на певну висоту. Якщо у вас система з подвійним шківом, вам доведеться тягнути вдвічі більше мотузки; в системі потрійного шківа ви повинні тягнути втричі більше тощо. Насправді для будь-якої системи шківів ви можете обчислити кількість додаткової мотузки, яку вам доведеться потягнути, підрахувавши кількість канатів, що підтримують навантаження.
Зменшення ваги, сили та шків шківа
Вага і сила не відрізняються величиною. Вага предмета - це не що інше, як сила, що чиниться на нього гравітацією, тому, коли ви піднімаєте предмет, ви повинні докласти силу, рівну силі тяжіння. Якщо у вас є одна система шківів, шків дозволяє вам спускатися на мотузку замість вгору, що, безумовно, простіше, але змусити ти проявляти як і раніше дорівнює вага вантажу ти піднімаєш.
Якщо ви додасте шків нижче першого, обведіть мотузку навколо обох шківів і відвісьте навантаження від другого шківа, навантаження тепер підтримується двома канатами. Механічна перевага цієї нової вдосконаленої системи шківів становить 2, і це означає, що потрібно лише докласти зусиль сила, що дорівнює половині ваги вантажу підняти його. Підвісьте третій шків до першого, переведіть мотузку через так, щоб три мотузки призупиняли навантаження, а сила, яку ви повинні докласти, щоб підняти вантаж, становить лише третину його ваги.
Можна сказати, загалом, що зменшення навантаження шківа - це зворотна кількість канатів, що підтримують навантаження, але мало практичних шківних систем мають більше чотирьох канатів. Отже, максимальне зниження навантаження шківа, яке ви можете зрозуміти, становить одну чверть ваги вантажу. Насправді фактичне зменшення навантаження трохи менше, ніж це, тому що ви повинні враховувати тертя шківів.
Приклад калькулятор ваги шківа
Припустимо, ви можете підняти 200-кілограмову людину самостійно, але це межа ваших здібностей з важкої атлетики. Не могли б ви розробити шківну систему, щоб підняти автомобіль на 2000 фунтів? Напевно, не тому, що навіть система з чотирма шківами зменшила б вагу лише на чверть, а це ще 500 фунтів.
Припустимо, ви могли б скомпонувати пару шківних систем і завести друга, який сильний, як ви, витягнути одну з них. У вас все ще будуть проблеми, але, можливо, ви зможете це зробити, тому що кожен шків підніме половину ваги, або 1000 фунтів, а чверть цієї ваги - 250 фунтів. Якщо ви додали до роботи третього шківа та третьої людини, кожній людині довелося б лише докласти 167 фунтів сили, що цілком відповідає їх можливостям, тому ця система працювала б легко.
Калькулятор ваги шківа не залежить від того, яка вага підніметься спочатку, коли тягне мотузку, тому що якщо одна людина потягне перед двома іншими, машина не рухатиметься. Усі троє людей повинні тягнути одночасно, щоб правильно розподілити навантаження і рівномірно розподілити вагу між трьома шківами. Коли троє людей працюють одночасно, фактично є 12 мотузок, що підтримують автомобіль, що робить механічну перевагу шківної системи 12 і зменшує чисту силу, необхідну для підйому транспортного засобу до 2000 ÷ 12 = 167 фунтів.
