Maszyny proste — 6 rodzajów, przewaga mechaniczna i przykłady

Maszyny proste to podstawowe urządzenia, które zmieniają wartość siły lub jej kierunek. Sześć klasycznych typów to dźwignia, koło i oś, bloczek, równia pochyła, klin i śruba. Nie wytwarzają energii. W przypadku idealnym zamieniają siłę na drogę.

Jeśli masz zapamiętać jedną rzecz, niech będzie to ta: mniejsza siła wejściowa zwykle oznacza większą drogę wejściową. Rzeczywiste maszyny tracą też część energii na tarcie, więc działają gorzej niż model idealny.

Jakie są 6 maszyn prostych?

Dźwignia

Dźwignia to sztywny pręt obracający się wokół punktu podparcia zwanego fulcrum. Łomy, huśtawki i otwieracze do butelek to typowe przykłady.

Koło i oś

Koło i oś to układ, w którym większy promień jest połączony z mniejszym, tak że obracają się razem. Klamka obrotowa to dobrze znany przykład: obracanie większym pokrętłem pomaga obracać mniejszy trzpień.

Bloczek

Bloczek wykorzystuje rowkowane koło oraz linę lub kabel. Bloczek stały głównie zmienia kierunek siły. Bloczek ruchomy albo układ bloczków może też zmniejszyć potrzebną siłę wejściową.

Równia pochyła

Równia pochyła to po prostu pochylnia. Zamiast podnosić przedmiot pionowo w górę, przesuwasz go po nachylonej powierzchni, co może zmniejszyć wymaganą siłę, jeśli zgodzisz się na dłuższą drogę.

Klin

Klin działa jak poruszająca się równia pochyła. Siekiery, noże i dłuta wykorzystują kształt klina, aby zamienić siłę wejściową na siły rozpychające materiał na boki.

Śruba

Śruba to równia pochyła owinięta wokół walca. Jej obracanie zamienia ruch obrotowy na ruch postępowy, dlatego śruby mogą mocno łączyć materiały albo podnosić ciężary w urządzeniach takich jak podnośniki śrubowe.

Przewaga mechaniczna w maszynach prostych

Przewaga mechaniczna porównuje siłę wyjściową z siłą wejściową:

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

Jeśli $\text{MA} > 1$, maszyna pozwala mniejszą siłą wejściową poruszyć większy ciężar. To nie oznacza, że maszyna wytwarza dodatkową pracę. W maszynie idealnej zysk siły jest równoważony stratą drogi.

Ten kompromis można ująć tak:

• mniejsza siła zwykle oznacza większą drogę
• większa siła zwykle oznacza mniejszą drogę

To właśnie ten kompromis jest główną ideą maszyn prostych.

Przykład rozwiązany: dźwignia

Załóżmy, że dźwignia podnosi ciężar o wartości $200\ \mathrm{N}$. Ramię siły ma długość $1.2\ \mathrm{m}$, a ramię obciążenia ma długość $0.30\ \mathrm{m}$.

Jeśli potraktujemy dźwignię jako idealną i pominiemy ciężar samej dźwigni, z warunku równowagi momentów otrzymujemy

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

Zatem

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

A więc siła wejściowa równa $50\ \mathrm{N}$ może równoważyć obciążenie $200\ \mathrm{N}$ w tym idealnym układzie. To dłuższe ramię siły daje dźwigni jej przewagę.

Przewaga mechaniczna wynosi tutaj

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

Jest jednak pewien warunek: twój koniec dźwigni musi przemieścić się dalej niż koniec z obciążeniem. Maszyna zmniejsza potrzebną siłę, zamieniając ją na drogę.

Typowe błędy przy maszynach prostych

Myślenie, że maszyna prosta w każdym przypadku zmniejsza całkowitą pracę

W modelu idealnym maszyna prosta rozdziela między sobą siłę i drogę. W rzeczywistej maszynie tarcie zwykle sprawia, że wykonujesz nawet większą pracę wejściową niż użyteczna praca wyjściowa.

Używanie idealnej przewagi mechanicznej bez zaznaczenia, że chodzi o model idealny

Zależności oparte wyłącznie na geometrii działają jasno tylko przy wyraźnie podanych założeniach. Rzeczywiste bloczki, śruby i pochylnie tracą energię na tarcie, więc ich rzeczywiste działanie jest słabsze niż przewiduje model idealny.

Zakładanie, że każda maszyna prosta zawsze zwielokrotnia siłę

Maszyna może też służyć głównie do zmiany kierunku albo prędkości ruchu. Na przykład bloczek stały bywa cenny dlatego, że pozwala ciągnąć w dół zamiast podnosić bezpośrednio do góry.

Gdzie stosuje się maszyny proste

Maszyny proste występują w narzędziach ręcznych, sprzęcie budowlanym, układach podnoszących, elementach złącznych i wielu przedmiotach codziennego użytku. Są ważne, ponieważ bardziej złożone maszyny często opierają się na tych samych podstawowych pomysłach.

Jeśli potrafisz dostrzec kompromis między siłą a drogą w dźwigni, bloczku albo na równi pochyłej, to rozumiesz już sedno tego tematu.

Spróbuj podobnego zadania

Weź równię pochyłą o długości $4\ \mathrm{m}$, która podnosi skrzynię na wysokość $1\ \mathrm{m}$. Pomijając tarcie, zastanów się, jak równia zamienia siłę na drogę w porównaniu z podnoszeniem skrzyni pionowo w górę. Rozwiązanie takiej wersji pomaga zobaczyć tę samą ideę w nowej sytuacji.