Απλές μηχανές — 6 τύποι, μηχανικό πλεονέκτημα & παραδείγματα

Οι απλές μηχανές είναι βασικές διατάξεις που αλλάζουν το μέγεθος ή την κατεύθυνση μιας δύναμης. Οι έξι κλασικοί τύποι είναι ο μοχλός, ο τροχός και άξονας, η τροχαλία, το κεκλιμένο επίπεδο, η σφήνα και ο κοχλίας. Δεν δημιουργούν ενέργεια. Στην ιδανική περίπτωση, ανταλλάσσουν δύναμη με απόσταση.

Αν θυμάσαι μία ιδέα, να θυμάσαι αυτή: μικρότερη δύναμη εισόδου συνήθως σημαίνει μεγαλύτερη απόσταση εισόδου. Οι πραγματικές μηχανές χάνουν επίσης μέρος της ενέργειας λόγω τριβής, οπότε αποδίδουν χειρότερα από το ιδανικό μοντέλο.

Ποιες είναι οι 6 απλές μηχανές;

Μοχλός

Ο μοχλός είναι μια άκαμπτη ράβδος που περιστρέφεται γύρω από ένα σημείο στήριξης που λέγεται υπομόχλιο. Οι λοστοί, οι τραμπάλες και τα ανοιχτήρια μπουκαλιών είναι συνηθισμένα παραδείγματα.

Τροχός και άξονας

Ο τροχός και άξονας είναι μια διάταξη όπου μια μεγάλη ακτίνα συνδέεται με μια μικρότερη ώστε να περιστρέφονται μαζί. Ένα πόμολο πόρτας είναι οικείο παράδειγμα: η περιστροφή του μεγαλύτερου πόμολου βοηθά να περιστραφεί ο μικρότερος άξονας.

Τροχαλία

Η τροχαλία χρησιμοποιεί έναν αυλακωτό τροχό και σχοινί ή καλώδιο. Μια σταθερή τροχαλία αλλάζει κυρίως την κατεύθυνση της δύναμης. Μια κινητή τροχαλία ή ένα σύστημα τροχαλιών μπορεί επίσης να μειώσει τη δύναμη εισόδου που απαιτείται.

Κεκλιμένο επίπεδο

Το κεκλιμένο επίπεδο είναι μια ράμπα. Αντί να σηκώνεις ένα αντικείμενο κατακόρυφα, το μετακινείς κατά μήκος μιας κλίσης, κάτι που μπορεί να μειώσει την απαιτούμενη δύναμη αν δεχτείς μεγαλύτερη διαδρομή.

Σφήνα

Η σφήνα μοιάζει με κινούμενο κεκλιμένο επίπεδο. Τα τσεκούρια, τα μαχαίρια και τα καλέμια χρησιμοποιούν σφηνοειδές σχήμα για να μετατρέπουν μια δύναμη εισόδου σε δυνάμεις που απομακρύνουν το υλικό.

Κοχλίας

Ο κοχλίας είναι ένα κεκλιμένο επίπεδο τυλιγμένο γύρω από έναν κύλινδρο. Η περιστροφή του μετατρέπει την περιστροφική κίνηση σε προωθητική κίνηση, γι’ αυτό οι κοχλίες μπορούν να στερεώνουν υλικά σφιχτά ή να ανυψώνουν φορτία σε διατάξεις όπως οι κοχλιογρύλοι.

Μηχανικό πλεονέκτημα στις απλές μηχανές

Το μηχανικό πλεονέκτημα συγκρίνει τη δύναμη εξόδου με τη δύναμη εισόδου:

$$\text{MA} = \frac{\text{output force}}{\text{input force}}$$

Αν $\text{MA} > 1$, η μηχανή επιτρέπει σε μικρότερη δύναμη εισόδου να μετακινήσει μεγαλύτερο φορτίο. Αυτό δεν σημαίνει ότι η μηχανή δημιουργεί επιπλέον έργο. Σε μια ιδανική μηχανή, το κέρδος στη δύναμη αντισταθμίζεται από απώλεια στην απόσταση.

Μπορείς να εκφράσεις αυτό το αντιστάθμισμα ως εξής:

• μικρότερη δύναμη συνήθως σημαίνει μεγαλύτερη απόσταση
• μεγαλύτερη δύναμη συνήθως σημαίνει μικρότερη απόσταση

Αυτό το αντιστάθμισμα είναι η βασική ιδέα πίσω από τις απλές μηχανές.

Λυμένο παράδειγμα: ένας μοχλός

Έστω ότι ένας μοχλός ανυψώνει φορτίο $200\ \mathrm{N}$. Ο βραχίονας της δύναμης έχει μήκος $1.2\ \mathrm{m}$ και ο βραχίονας του φορτίου έχει μήκος $0.30\ \mathrm{m}$.

Αν θεωρήσουμε τον μοχλό ιδανικό και αγνοήσουμε το βάρος του ίδιου του μοχλού, η ισορροπία ροπών δίνει

$$F_{\text{in}} d_{\text{in}} = F_{\text{out}} d_{\text{out}}$$

Άρα

$$F_{\text{in}} (1.2) = 200(0.30)$$ $$F_{\text{in}} = \frac{200 \cdot 0.30}{1.2} = 50\ \mathrm{N}$$

Άρα μια δύναμη εισόδου $50\ \mathrm{N}$ μπορεί να εξισορροπήσει φορτίο $200\ \mathrm{N}$ σε αυτή την ιδανική διάταξη. Ο μεγαλύτερος βραχίονας της δύναμης είναι αυτός που δίνει στον μοχλό το πλεονέκτημά του.

Το μηχανικό πλεονέκτημα εδώ είναι

$$\text{MA} = \frac{200}{50} = 4$$

Υπάρχει όμως μια προϋπόθεση: το άκρο του μοχλού όπου ασκείς τη δύναμη πρέπει να κινηθεί περισσότερο από το άκρο του φορτίου. Η μηχανή μειώνει τη δύναμη ανταλλάσσοντάς την με απόσταση.

Συνηθισμένα λάθη με τις απλές μηχανές

Να νομίζεις ότι μια απλή μηχανή μειώνει το συνολικό έργο σε κάθε περίπτωση

Σε ένα ιδανικό μοντέλο, μια απλή μηχανή ανακατανέμει τη δύναμη και την απόσταση. Σε μια πραγματική μηχανή, η τριβή συνήθως σημαίνει ότι τελικά κάνεις περισσότερο έργο εισόδου από το ωφέλιμο έργο εξόδου.

Να χρησιμοποιείς το ιδανικό μηχανικό πλεονέκτημα χωρίς να λες ότι είναι ιδανικό

Οι σχέσεις που βασίζονται μόνο στη γεωμετρία λειτουργούν καθαρά μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Οι πραγματικές τροχαλίες, οι κοχλίες και οι ράμπες χάνουν ενέργεια λόγω τριβής, οπότε η πραγματική απόδοση είναι μικρότερη από την ιδανική πρόβλεψη.

Να υποθέτεις ότι κάθε απλή μηχανή πάντα πολλαπλασιάζει τη δύναμη

Μια μηχανή μπορεί επίσης να χρησιμοποιείται κυρίως για να αλλάζει κατεύθυνση ή ταχύτητα. Για παράδειγμα, μια σταθερή τροχαλία είναι συχνά χρήσιμη επειδή σου επιτρέπει να τραβάς προς τα κάτω αντί να σηκώνεις απευθείας προς τα πάνω.

Πού χρησιμοποιούνται οι απλές μηχανές

Οι απλές μηχανές εμφανίζονται σε χειροκίνητα εργαλεία, εξοπλισμό κατασκευών, συστήματα ανύψωσης, συνδέσμους στερέωσης και σε πολλά αντικείμενα της καθημερινότητας. Είναι σημαντικές επειδή πιο σύνθετες μηχανές συχνά κατασκευάζονται από αυτές τις ίδιες βασικές ιδέες.

Αν μπορείς να εντοπίσεις το αντιστάθμισμα δύναμης-απόστασης σε έναν μοχλό, μια τροχαλία ή μια ράμπα, τότε ήδη κατανοείς τον πυρήνα του θέματος.

Δοκίμασε ένα παρόμοιο πρόβλημα

Πάρε μια ράμπα με μήκος $4\ \mathrm{m}$ που ανυψώνει ένα κιβώτιο κατά $1\ \mathrm{m}$. Αγνοώντας την τριβή, σκέψου πώς η ράμπα ανταλλάσσει δύναμη με απόσταση σε σύγκριση με το να σηκώσεις το κιβώτιο κατακόρυφα. Η επίλυση αυτής της εκδοχής σε βοηθά να δεις την ίδια ιδέα σε ένα νέο πλαίσιο.