Прості машини — це пристрої, які полегшують роботу, дозволяючи нам прикладати силу на великі відстані або посилюючи силу. Вони є фундаментальними будівельними блоками більш складних машин і глибоко інтегровані у вивчення руху у фізиці. Цей урок присвячений шести класичним простим машинам: важіль, колесо та вісь, шків, похила площина, гвинт і клин, досліджуючи, як вони змінюють рух і змушують виконувати роботу.
Перш ніж зануритися в специфіку простих машин, важливо зрозуміти концепцію роботи. Робота у фізиці визначається як сила, прикладена до об’єкта, помножена на відстань, на яку вона прикладена. Математично це виражається так:
\( W = F \times d \)де \(W\) — робота, \(F\) — прикладена сила, а \(d\) — відстань. Прості машини змінюють або прикладену силу, або відстань, на яку прикладена сила, змінюючи спосіб виконання роботи без зміни загального обсягу роботи.
Важіль — це жорсткий стрижень, який обертається навколо фіксованої точки, яка називається точкою опори. Він працює за принципом моментів, коли момент (крутний момент) з одного боку точки опори врівноважується моментом з іншого боку. Момент є добутком прикладеної сили на відстань від точки опори, і він визначається як:
\( \textrm{Момент} = F \times d \)Важелі класифікуються на три типи залежно від взаємного розташування прикладеної сили, точки опори та навантаження. Гойдалка є класичним прикладом першокласного важеля, де точка опори знаходиться між силою і навантаженням.
Колесо та вісь складаються з колеса більшого діаметру, прикріпленого до осі меншого діаметру. Обертання колеса (або осі) змушує іншу частину рухатися, ефективно посилюючи силу або швидкість. Механічна перевага, яка є фактором, за допомогою якого машина збільшує прикладену до неї силу, залежить від радіуса колеса та осі відповідно до:
\( \textrm{Механічна перевага} = \frac{\textrm{Радіус колеса}}{\textrm{Радіус осі}} \)Цю просту машину можна побачити в таких пристроях, як вітряні млини та системи рульового керування автомобілями, демонструючи, як обертальний рух полегшується з меншими зусиллями.
Шків — це колесо на осі, призначене для підтримки руху мотузки або троса. Шківи можуть змінювати напрямок прикладеної сили, часто зменшуючи силу, необхідну для підняття вантажу. Один фіксований шків не забезпечує механічних переваг, але система шківів (блок і снасть) може значно зменшити силу, необхідну для підйому важких предметів, шляхом розподілу ваги. Механічна перевага поліспастної системи дорівнює кількості сегментів мотузки, що підтримують навантаження:
\( \textrm{Механічна перевага} = \textrm{Кількість сегментів опорного каната} \)Похила площина — це плоска поверхня, нахилена під кутом до горизонталі. Це дозволяє легше піднімати вантаж, розподіляючи роботу на більшу відстань. Чим довша похила площина, тим менша сила потрібна, щоб підняти предмет на певну висоту. Механічна перевага похилої площини визначається:
\( \textrm{Механічна перевага} = \frac{\textrm{Довжина нахилу}}{\textrm{Висота нахилу}} \)Цей принцип застосовується в рампах і гірках, спрощуючи такі завдання, як завантаження товарів на вантажівки або переміщення важких меблів.
Гвинт — це по суті похила площина, обернута навколо циліндра, перетворюючи обертальний рух у лінійний. Коли гвинт обертається, різьби перетворюють силу обертання в лінійну силу, перпендикулярну до гвинта, таким чином піднімаючи або тягнучи об’єкти разом. Механічна перевага гвинта залежить від відстані між його різьбами:
\( \textrm{Механічна перевага} = \frac{2\pi \times \textrm{Радіус гвинта}}{\textrm{крок}} \)де крок - відстань між сусідніми нитками.
Клин — пристрій, що складається з двох похилих площин. Він перетворює силу, прикладену до його широкого кінця, у сили, перпендикулярні до його похилих поверхонь. Чим гостріший клин (менший кут між його похилими поверхнями), тим більша сила, з якою він діє перпендикулярно. Ця проста машина широко використовується для різання та розколювання предметів, таких як ножі та сокири.
Прості машини відіграють важливу роль у нашому повсякденному житті, полегшуючи завдання, змінюючи рух і силу. Розуміння цих основних механічних принципів закладає основу для дослідження складніших механізмів і глибшого заглиблення у науку фізики. Дізнаючись про те, як працюють прості машини, ми отримуємо розуміння фундаментальних операцій навколишнього світу та принципів інженерії, які роблять сучасне життя можливим.
