Od davnina, čovječanstvo je na bilo koji način nastojalo olakšati svoj fizički rad. Jednostavni mehanizmi postali su sredstvo za rješavanje ovog problema. Ovaj članak govori o izumima kao što su poluga i blok, kao i sustav poluga i blokova.
Što je financijska poluga i kada je korištena?
Vjerojatno je svima poznat ovaj jednostavan mehanizam od djetinjstva. U fizici, poluga je kombinacija grede (šip, daska) i jednog oslonca. Služi kao poluga za dizanje utega ili za prijenos brzine tijelima. Ovisno o položaju oslonca ispod grede, poluga može dovesti do povećanja u snazi ili u kretanju tereta. Valja reći da poluga ne dovodi do smanjenja rada kao fizičke veličine, već samo omogućuje preraspodjelu njenog izvršenja na prikladan način.
Čovjek koristi polugu već dugo vremena. Dakle, postoje dokazi da su ga koristili stari Egipćani u izgradnji piramida. Prvi matematički opis učinka poluge datira iz 3. stoljeća prije Krista i pripada Arhimedu. Suvremeno objašnjenje principa rada ovog mehanizma uključujekoncept momenta sile nastao je tek u 17. stoljeću, tijekom formiranja Newtonove klasične mehanike.
Pravilo poluge
Kako radi poluga? Odgovor na ovo pitanje sadržan je u konceptu momenta sile. Potonji se zove takva vrijednost, koja se dobiva kao rezultat množenja kraka sile s njenim modulom, to jest:
M=Fd
Ruka sile d je udaljenost od uporišta do točke primjene sile F.
Kada poluga radi svoj posao, na nju djeluju tri različite sile:
- vanjska sila primijenjena, na primjer, od strane osobe;
- težina tereta koji osoba želi pomaknuti polugom;
- reakcija potpore koja djeluje sa strane oslonca na gredu poluge.
Reakcija oslonca uravnotežuje druge dvije sile, tako da se poluga ne pomiče naprijed u prostoru. Da ne bi vršio i rotacijsko gibanje, potrebno je da zbroj svih momenata sila bude jednak nuli. Moment sile uvijek se mjeri u odnosu na neku os. U ovom slučaju, ova os je uporište. Ovakvim izborom osi rame djelovanja sile reakcije oslonca bit će jednako nuli, odnosno ta sila stvara nulti moment. Slika ispod prikazuje tipičnu polugu prve vrste. Strelice označavaju vanjsku silu F i težinu tereta R.
Zapišite zbroj trenutaka za ove sile, imamo:
RdR+ (-FdF)=0
Jednakost na nuli zbroja momenata osigurava izostanak rotacije krakova poluge. Trenutaksila F uzima se s negativnim predznakom jer ta sila nastoji zakrenuti polugu u smjeru kazaljke na satu, dok sila R nastoji napraviti ovaj okret u suprotnom smjeru.
Prepisivanjem ovog izraza u sljedeće oblike dobivamo uvjete ravnoteže za polugu:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Dobili smo napisane jednakosti koristeći koncept momenta sile. U III stoljeću pr. e. Grčki filozofi nisu znali za ovaj fizički koncept, međutim, Arhimed je uspostavio inverzni odnos između omjera sila koje djeluju na krakove poluge i duljine tih krakova kao rezultat eksperimentalnih promatranja.
Zabilježene jednakosti pokazuju da smanjenje duljine ruke dR doprinosi nastanku mogućnosti dizanja velikih utega uz pomoć male sile F i a duga ruka dF R teret.
Što je blok u fizici?
Blok je još jedan jednostavan mehanizam, koji je okrugli cilindar s utorom duž perimetra cilindrične površine. Brazda služi za pričvršćivanje užeta ili lanca. Blok ima os rotacije. Slika prikazuje primjer bloka koji pokazuje kako funkcionira.
Ovaj blok se zove fiksni. Ne daje dobit u snazi, ali vam omogućuje promjenu smjera.
Osim fiksnog bloka, postoji i pokretni blok. Sustav pokretnih i fiksnih blokova prikazan je ispod.
Ako se na ovaj sustav primijeni pravilo trenutaka, dobivamodobitak na snazi je dva puta, ali u isto vrijeme gubimo isti iznos na putu (na slici F=60 N).
Sustav poluga i blokova
Kao što je spomenuto u prethodnim paragrafima, poluga se može koristiti za dobivanje putanje ili moći, dok blok omogućuje dobivanje moći i promjenu smjera njegovog djelovanja. Ova svojstva razmatranih jednostavnih mehanizama koriste se u sustavima poluga i blokova. U ovim sustavima svaki element preuzima određenu silu i prenosi je na druge elemente tako da kao izlaz dobijemo izvornu silu.
Jednostavnost rukovanja polugom i blokom i fleksibilnost njihove strukturne upotrebe omogućuju sastavljanje složenih mehanizama iz takve kombinacije.
Primjeri korištenja sustava jednostavnih mehanizama
Zapravo, svi strojevi koji nas okružuju su sustavi poluga i blokova. Evo najpoznatijih primjera:
- pisaći stroj;
- klavir;
- dizalica;
- sklopive skele;
- podesivi kreveti i stolovi;
- skup ljudskih kostiju, zglobova i mišića.
Ako je ulazna sila u svakom od ovih sustava poznata, tada se izlazna sila može izračunati sukcesivnom primjenom pravila poluge na svaki element sustava.
