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누군가가 당신에게 기계 21 세기에는 상상할 수있는 이미지가 전자 제품 (예 : 디지털 구성 요소가있는 것) 또는 적어도 전기로 구동되는 것이 포함된다는 점을 감안할 때 가상입니다.
예를 들어 태평양을 향한 19 세기 미국 서부 확장의 팬이라면 그 당시 기차에 동력을 공급 한 기관차 증기 기관을 생각할 수있을 것입니다.
실제로 간단한 기계 수백 년 동안, 심지어 수천 년 동안 존재 해 왔으며, 그 중 어느 것도 그것을 사용하는 사람이나 사람들이 공급할 수있는 것 이외의 첨단 조립이나 전력을 필요로하지 않습니다. 이러한 다양한 유형의 단순 기계의 목표는 동일합니다. 힘 의 희생 거리 어떤 형태로 (그리고 아마도 약간의 시간이지만, 그것은 엉망입니다).
그것이 당신에게 마술처럼 들린다면, 아마도 당신과 혼동하는 힘 때문일 것입니다. 에너지, 관련 수량. 그러나 다른 형태의 에너지를 제외하고는 시스템에서 에너지를 "창조"할 수 없다는 것이 사실이지만, 힘도 마찬가지이며, 이것에 대한 단순한 이유는 더 당신을 기다립니다.
일, 에너지 및 힘
세상에서 다른 물체를 움직이는 데 물체를 사용하는 방법을 시연하기 전에 기본 용어를 다루는 것이 좋습니다.
17 세기에 Isaac Newton은 물리학 및 수학 분야에서 혁신적인 작업을 시작했으며, 그 중 하나는 Newton이 그의 세 가지 기본 운동 법칙을 소개 한 것입니다. 이 중 두 번째는 그물 힘 질량의 가속 또는 속도를 변경하는 작용 : 에프그물 = m에이.
힘이 변위 d를 통해 물체를 움직일 때, 작업 해당 객체에서 수행되었다고합니다.
W = F ⋅ d.
힘과 변위가 같은 방향이면 일의 값은 양수이고 다른 방향 일 때는 음의 값입니다. 작업은 에너지와 동일한 단위, 미터 (줄이라고도 함)를 갖습니다.
에너지는 움직이는 형태와 "휴식"형태로 여러 가지 방식으로 나타나는 물질의 속성이며, 중요한 것은 힘과 운동량 (질량 배속)이 물리학에서와 같은 방식으로 닫힌 시스템에서 보존됩니다.
간단한 기계의 필수 요소
분명히, 인간은 물건을 움직일 필요가 있습니다. 산업화 이전 시대에 더욱 눈부신 인적 력을 필요로하는 거리는 높지만 힘을 유지하는 것이 유용합니다. 작업 방정식은 이것을 허용하는 것으로 보인다; 주어진 작업량에 대해 F와 d의 개별 값이 무엇인지는 중요하지 않습니다.
그것이 발생하는 것처럼, 이것은 거리 변수를 최대화하려는 생각은 아니지만 간단한 기계의 원리입니다. 6 가지 고전 유형 ( 지렛대, 그만큼 고패, 바퀴와 차축, 경사면, 쐐기 그리고 나사)는 동일한 작업량을 수행하기 위해 거리 비용으로 가해지는 힘을 줄이는 데 사용됩니다.
기계적 장점
"기계적 이점"이라는 용어는 아마도 물리 시스템이 상응하는 에너지 입력없이 더 많은 작업을 추출하도록 게임을 할 수 있음을 암시하는 것처럼 보일 수 있기 때문에 아마도 더 매력적일 것입니다. (작업에는 에너지 단위가 있고 에너지는 닫힌 시스템에서 보존되므로, 작업이 완료되면 그 크기는 운동이 발생하는 모든 에너지와 같아야합니다.) 슬프게도, 그렇지 않습니다. 기계적 이점 (MA) 여전히 훌륭한 상을 제공합니다.
지금은 두 개의 반대 세력 F를 고려하십시오1 그리고 F2 피벗 포인트를 중심으로 지점. 이 수량 토크는 힘의 크기와 방향에 지지점으로부터의 거리 L을 곱한 것으로 간단히 계산됩니다. 레버 암: T = F*엘*. 힘이 F이면1 그리고 F2 균형을 잡아야합니다 티1 크기가 같아야합니다 티2또는
에프1엘1 = F2엘2.
이것은 또한 쓸 수 있습니다 에프2/에프1 = L1/엘2. F 인 경우1 입니다 입력 력 (귀하, 다른 사람 또는 다른 기계 또는 에너지 원) 및 F2 입니다 출력 력 (부하 또는 저항이라고도 함), F2 대 F1의 비율이 높을수록 비교적 적은 입력 힘을 사용하여 더 많은 출력 힘이 생성되므로 시스템의 기계적 이점이 높아집니다.
비율 에프2/에프1, 또는 아마도 바람직하게 에프영형/에프나는, MA에 대한 방정식입니다. 입문 문제에서는 마찰과 공기 저항의 영향이 무시되므로 일반적으로 이상적인 기계적 이점 (IMA)이라고합니다.
레버 소개
위의 정보를 통해 기본 레버의 구성 요소를 알 수 있습니다. 지점, 과 입력 력 그리고 하중. 이러한 기본 구성에도 불구하고 인간 산업의 지렛대는 매우 다양한 프리젠 테이션을 제공합니다. 프라이어 바를 사용하여 다른 옵션이 거의없는 것을 움직이면 레버를 사용했다는 것을 알고있을 것입니다. 그러나 피아노를 연주하거나 표준 손톱깎이 세트를 사용할 때 레버를 사용했습니다.
레버는 물리적 배열 측면에서 "스택"될 수있어 개별적인 기계적 장점이 전체 시스템에서 훨씬 더 큰 이점을 제공합니다. 이 시스템은 콤파운드 레버라고하며 풀리 세계에 파트너가 있습니다.
개별 레버와 풀리 내 및 복합 배열에서 서로 다른 기계 사이의 단순한 기계의 이러한 다중 측면으로 인해 때때로 발생할 수있는 두통의 가치가있는 단순한 기계가 만들어집니다.
레버 클래스
에이 1 차 레버 힘과 하중 사이에 받침이 있습니다. 예는 "시소"학교 운동장에서.
에이 2 차 레버 한쪽 끝에 받침이 있고 다른 쪽 끝에 힘이 있으며 그 사이에 하중이 있습니다. 그만큼 일륜차 고전적인 예입니다.
에이 3 차 레버, 2 차 레버와 같이 한쪽 끝에 받침이 있습니다. 그러나이 경우 하중은 다른 쪽 끝에 있으며 힘은 중간에 가해집니다. 야구 방망이와 같은 많은 스포츠기구는 이러한 종류의 레버를 나타냅니다.
레버의 기계적 이점은 이러한 시스템의 3 가지 필수 요소를 전략적으로 배치하여 실제 세계에서 조작 할 수 있습니다.
생리 및 해부학 레버
몸에는 상호 작용하는 레버가 있습니다. 한 가지 예는 이두근입니다. 이 근육은 팔꿈치 ( "대퇴골")와 손에 걸리는 모든 짐 사이의 지점에서 팔뚝에 부착됩니다. 이것은 이두근을 3 차 레버로 만듭니다.
발자국의 종아리 근육과 아킬레스 건은 다른 종류의 레버로 함께 작용합니다. 걸어서 앞으로 감 으면 발의 공이 받침 역할을합니다. 근육과 힘줄이 상하로 작용하여 체중을 상쇄합니다. 이것은 수레와 같은 2 차 레버의 예입니다.
레버 샘플 문제
1,000kg 또는 2,204lb (무게 : 9,800N)의 질량을 가진 차량은 매우 단단하지만 매우 가벼운 강철 막대 끝에 자리 잡고 있으며, 차량 중심에서 5m 떨어진 지점에 받침이 있습니다. 무게가 5kg (110 파운드) 인 사람은 막대의 다른 쪽 끝에 서서 스스로 무게를 조절할 수 있으며, 필요한만큼 수평으로 확장 할 수 있습니다. 그녀는 이것을 달성하기 위해 받침점에서 얼마나 멀어 야합니까?
힘의 균형은 F1엘1 = F2엘2여기서 F1 = (50 kg) (9.8 m / s2) = 490 N, F2 = 9.800 N, 및 L2 = 5. 따라서 L1 = (9800) (5) / (490) = 100 분 (축구장보다 조금 길다).
기계적 장점 : 풀리
도르래는 다른 기계처럼 수천 년 동안 다양한 형태로 사용되어 온 일종의 간단한 기계입니다. 당신은 아마 그들을 보았습니다. 그것들은 고정되거나 움직일 수 있으며, 회전 원형 디스크 주위에 감긴 로프 또는 케이블을 포함하며, 케이블은 옆으로 미끄러지는 것을 방지하는 홈 또는 다른 수단을 갖는다.
풀리의 주요 장점은 MA를 높이는 것이 아니라 단순한 풀리의 경우 1의 값을 유지한다는 것입니다. 가해진 힘의 방향을 바꿀 수 있다는 것입니다. 이것은 중력이 혼합되어 있지 않은 경우에는 중요하지 않지만 실제로 모든 인간 공학 문제는 어떤 식 으로든 전투 또는 활용과 관련이 있습니다.
풀리는 풀다운을 사용하여 중력 작용과 동일한 방향으로 힘을 가할 수있게하여 무거운 물체를 비교적 쉽게 들어 올릴 수 있습니다. 이러한 상황에서는 자신의 체질량을 사용하여 짐을 올릴 수 있습니다.
복합 풀리
언급 한 바와 같이, 모든 간단한 도르래가 힘의 방향을 바꾸는 것이므로, 실제 세계에서의 유용성은 상당하지만 최대화되지는 않는다. 대신, 반경이 다른 다중 풀리 시스템을 사용하여 적용된 힘을 곱할 수 있습니다. 이것은 F 이후로 더 많은 로프를 만드는 간단한 행동을 통해 이루어집니다.나는 고정 값 W에 대해 d가 증가함에 따라
체인에있는 하나의 풀리가 그 뒤에 오는 풀리보다 큰 반경을 가질 때, 이는 반경 값의 차이에 비례하는이 쌍에서 기계적 이점을 생성합니다. 이러한 풀리의 긴 배열은 복합 풀리, 매우 무거운 짐을 옮길 수 있습니다 – 로프를 충분히 가져 오십시오!
풀리 샘플 문제
최근에 도착한 3,000 N 무게의 물리 책 상자가 도크 작업자에 의해 들어올 려져 도크 작업자가 풀리 로프에서 200 N의 힘으로 당깁니다. 시스템의 기계적 장점은 무엇입니까?
이 문제는 실제로 보이는 것처럼 간단합니다. 에프영형/에프나는 = 3,000/200 = 15.0. 요점과 전자적 결함이 있음에도 불구하고 놀랍고 강력한 발명이 단순한 기계가 무엇인지 설명하는 것이 요점입니다.
기계적 이점 계산기
레버 유형, 상대 레버 암 길이, 풀리 구성 등의 다양한 입력을 실험 할 수있는 온라인 계산기로 자신을 치료할 수 있으므로 이러한 종류의 문제의 숫자에 대한 실제 느낌을 얻을 수 있습니다. 놀이. 이러한 편리한 도구의 예는 참고 자료에서 찾을 수 있습니다.