Jaké jsou jednoduché mechanismy? A když se nad tím zamyslíte, v čem spočívá jejich „jednoduchost“? Zde je malý spoiler: všechny druhy jednoduchých mechanismů nás obklopují všude – od kuchyně po vchod. A každý z nás, tak či onak, použil důležitý princip spojený s mechanismy s kódovým označením „mechanický zisk” To vše je zajímavé a vyžaduje rychlé vysvětlení.
Nejjednodušší mechanismy: exkurze do pravěku
Představte si rok tři tisíce před naším letopočtem. Děj se odehrává v moderním hrabství Wiltshire v Anglii. Na malebných pláních, samozřejmě.
Hlučný dav lidí odhodlaně vleče mohutný třicetitunový křemičitý pískovec, zatímco nedaleko je v plném proudu hlavní práce. Silní chlapi s kládami se tu a tam prohánějí. Rychle se převalí a položí dopředu zaoblené kusy dřeva, které se vykutálely zpod kamene vzadu.
Zkrátka dopravní povyk. Tak se dá několika slovy popsat proces nejzáhadnější stavby a mystiky lidstva – proces stavby megalitického Stonehenge. A nikdo s jistotou neví, kdo tento div světa postavil.
Byli tito keltští kněží nebo staří Britové, svědci Merlinových vousů. Možná mimozemšťané? Není ani známo, jaký účel sledovali ti, kdo ji postavili.
Archeologové, historici a vědci po celém světě se stále snaží odhalit tajemství stavby této stavby z doby kamenné. Jedna věc je však stále známá. Naši předkové, dávno před vynálezem kola, chápali něco ve fyzice. Jak by jinak byli schopni přemisťovat předměty vážící více než $30~t$ na obrovské vzdálenosti s dvaceti rukama?
Třicet tun je neuvěřitelná masa. Například profesionální powerlifteři jsou schopni zvedat činky o hmotnosti asi 300-400 kilogramů na jeden přístup.
Co to znamená? Museli bychom poslat přibližně 85 trénovaných sportovců zpět v čase, aby přesunuli neolitický balvan normální trakcí. Ano, naše předky z doby kamenné bychom neměli podceňovat. Zejména jejich vynalézavost.
Co je to jednoduchý mechanismus?
Příběh starý jako čas: kdy menší dostat více .
To je zákon naší existence v přírodě. Lidské zdroje jsou omezené, životní podmínky pomíjivé a nepředvídatelné a potřeby jsou velké. A abyste mohli prosperovat a přežít, potřebujete schopnost nejen se přizpůsobit, ale také moudře využívat to, co je dáno. Schopnost usnadnit si práci je totiž to, co nás odlišuje od ostatních zvířat.
Proto se technologická řešení vždy vyvíjela paralelně s lidmi. Vždy jsme byli, jsme a budeme hledat. Při hledání něčeho, co by nám mohlo pomoci získat více méně investováním. A téměř vše, co jsme ve jménu tohoto cíle za tisíce let vymysleli, lze připsat konceptu „jednoduchý mechanismus“.
Mechanismus je zařízení, které zvyšuje produktivitu práce a usnadňuje její realizaci.
Jeho úkol je jednoduchý – transformovat energii a přenášet pohyb. Na mechanismus je aplikována síla, kterou zase „zpracovává“ a přenáší do těla a vykonává práci. Obvykle se nazývá nejmenší nedělitelný prvek mechanismu jednoduché nebo nejjednodušší.
Co se nazývá jednoduché mechanismy?
Jednoduchý mechanismus je zařízení sloužící k přeměně síly.
Všude nám pomáhají mechanismy. Za prvé, v lidské kostře jsou všechny kosti, které se volně pohybují, „jednoduché mechanismy“ – páky. Můžete pokračovat v čemkoli. Například obsah kuchyňské skříňky: nože, sekery na sekání masa, otvíráky na lahve, vývrtky, nůžky atd.
Další příklady jednoduchých mechanismů!
Dokonce i kolíčky na kytaru. Dveře, okna, supermarketové vozíky, houpačky, rampy. Pinzety, kliky koupelnových baterií, studny, jízdní kola, vnitřky opravárenské krabice, od vytahováku hřebíků až po nůžky na drát. Jednoduché mechanismy jsou základem našeho života.
Základy jednoduchých mechanismů
Abychom pochopili, proč jednoduchý mechanismus usnadňuje práci, připomeňme si vzorec z předchozích lekcí a analyzujme množství v něm obsažená:
$A =Fcdot$.
Mechanická práce je vždy spojena se dvěma proměnnými: silou $F$ a posunutím $s$.
Z matematiky vzorce je zřejmé následující: s rostoucí vzdáleností pohybu klesá síla potřebná k vykonání stejného množství práce. Navíc, protože síla je vektor, můžeme pomocí mechanismu měnit nejen její velikost, ale i směr.
Mechanismus a změna vzdálenosti působení síly
Dají vám svázaný stoh knih a požádají vás, abyste ho odnesli do druhého patra. Jsou dvě možnosti. Za prvé, pro ty, kteří to mají rádi horké: zkuste hodit hromádku.
Druhá, rozumná: zvedněte ji postupně po schodech nahoru. Žebřík zvětšuje vzdálenost $s$ působící síly, protože délka trajektorie přepony je větší než délka obou nohou. Budete však muset vynaložit menší sílu. Jinými slovy, chůze je delší, ale jednodušší.
Jednoduchý mechanismus a použitá síla
Vraťme se k povídání o obsahu kuchyňské zásuvky a zamysleme se nad tím, že tam leží otvírák. Použitím malé síly na konec rukojeti otvíráku snadno odvíčkujete jakoukoli láhev. Na víko na druhém konci totiž bude působit větší síla.
Zkuste odříznout polovinu rukojeti z otvíráku, ale stejné kroky proveďte společně s ním. Nyní okamžitě pocítíte, že otevírání lahvičky je mnohem obtížnější. Proč? Protože se změnila hodnota síly $F$. Ne v náš prospěch.
Jednoduchý mechanismus a směr vektoru síly
Přesuňme se na plachetnici. Dostali jsme za úkol: vztyčit vlajku před vyplutím. Samozřejmě můžete ve stylu Spider-Mana efektivně vylézt na stožár a splnit úkol ručně, ale aby nedošlo k šoku členů posádky, bylo by lepší použít běžný blokový mechanismus. Kolem kola můžete omotat lano tak, aby vstupní síla směřovala kolmo dolů a výstupní síla směřovala kolmo nahoru.
Vlajka neváží třicet tun, ale pomocí mechanismu nastavujeme sílu opačným směrem a mírně vyhrál. Teď už nebudete muset lézt.
Mechanická výhra
«Trochu jsme vyhráli“—celá podstata mechanismů. Díky jednoduchým mechanickým zařízením měníme směr síly, vzdálenost jejího působení, hodnotu samotné síly a to vše proto, abychom získali Vыигрыш v platnosti.
Mechanický zisk lze z fyzikálního hlediska určit takto:
Mechanický zisk je velikost nárůstu síly získaného v důsledku činnosti jednoduchého mechanismu.
Když řeknou „zesílení síly je pětinásobné“, znamená to, že k provedení stejné práce $A$, místo síly $F$, stačí použít sílu $frac,$, tzn. pětkrát méně.
Množství práce nikdy se nemění. Mění se buď síla, nebo vzdálenost. Zisk se vypočítá jako poměr dvou sil:
$frac,$
kde $F_1$ je síla, kterou mechanismus působí na tělo, $F_2$ je síla, kterou je mechanismus aktivován.
Typy jednoduchých mechanismů
Jednoduché mechanismy jsou rozděleny do dvou typů na základě zesílení síly, kterou poskytují: rameno páky и nakloněná rovina. Existují dva typy pák: блок и brány. Nakloněná rovina také přichází ve dvou variantách: šroub и klín.
Čistě technicky budete mít pravdu, když řeknete, že svět je strukturovaný a postavený na šesti jednoduchých mechanismech.
Páka
Páka je příčka, která se otáčí kolem pevného bodu otáčení. Tento jednoduchý mechanismus pomáhá zvedat těžké předměty a vyrovnávat je. Příkladem jednoduché páky je swing-balance.
Блок
Blok je dalším zástupcem třídy „typy jednoduchých mechanismů“, i když na první pohled nevypadá jednoduše. V každodenním chápání můžeme říci, že blok je lano namotané kolem kola.
Mechanický zisk je určen změnou směru síly. Navíc obvykle tahají lano dolů, čímž zvedají břemeno nahoru. Co to znamená? Je to tak: gravitace nám také pomáhá.
brána
Brána je také typ páky, která poskytuje vynikající nárůst síly. Jednoduchý mechanismus na principu „nápravového kola“. Náprava je válec, který zajišťuje kolo na místě a kolo na této nápravě se otáčí.
Na nápravu je aplikována vstupní síla, která vytváří výstupní sílu ve formě rotačního pohybu kola. Představte si kolo: čím silněji sešlápnete pedál, tím rychleji pojedete.
Nakloněná rovina
Nakloněná rovina je znázorněna na obrázku níže. Schodišťový otvor, který jsme dříve zmínili v příkladu, je názorným příkladem toho, jak vypadá mechanismus typu nakloněné roviny.
Jedná se o povrch, ve kterém je jedna hrana vyšší než druhá. Mimochodem, právě v nakloněných rovinách spočívá tajemství stavby starověkých egyptských pyramid. Jak by se něco takového dalo postavit bez zisku na síle?
Šroub
Vezmeme-li nakloněnou rovinu a obtočíme ji kolem válce, získáme šroub – jednoduchý mechanismus, který se používá ke snížení něčeho, zvednutí nebo obecně k držení dvou předmětů pohromadě.
Typický uzávěr sklenice nebo lahve je ukázkovým příkladem šroubu. Ale zašroubování i malého šroubu je obtížnější úkol, protože šroubové mechanismy výrazně zvyšují vzdálenost působení síly. Pro srovnání si můžete vzít dva šrouby a kus pěnové gumy. Jeden šroub do něj zatlačte, druhý zašroubujte. Nyní zkuste zatlačit šroub do zdi. Tady máte na síle.
Klín
Pokud si představíte dvě nakloněné roviny sbíhající se v jednom bodě, dostanete to, čemu se říká klín.
Pomáhá držet předměty na místě a také rozdělovat nebo oddělovat části od těl. Nože, meče, sekery a další řezné předměty jsou klasifikovány jako klíny podle mechaniky jejich působení. Mimochodem, má je i tělo letadla: klíny letadla pomáhají prořezávat vzduch při jeho pohybu, stejně jako kuchyňský nůž prořízne čerstvou okurku.
To je zajímavé: proč říkají „vytloukají klín klínem“?
Etymologie frazeologické jednotky úzce souvisí s tím, jak se za starých časů štípaly masivní klády. Samotný klín se s takovým úkolem nedokázal vyrovnat: zajetý celou cestu rozštípl poleno jen částečně.
Nemůžeš dostat klín zpět, nemůžeš štípat dřevo. Proto vedle ucpaného klínu najeli ještě jeden vedle – aby druhý šel hlouběji a vyhazovač První. A tak dále, dokud se dřevěný blok nerozdělí na polovinu.
Ukazuje se tedy, že doslova vytloukají klín klínem. Jeden klín vyraženýюt sekunda. A kde se vzala běžná řečová chyba „vyklepej to klínem“?еT”?
Výsledky
Jak účinné jsou tedy jednoduché mechanismy, které jsou pravdivé o slavné Archimédově „hrozbě“ o revoluci Země?
Pojďme si trochu poskočit a spočítat. Řekněme, že průměrný člověk je schopen zvednout předmět o hmotnosti asi 60~kg$. Hmotnost naší planety je přibližně $6cdot>~kg$. Jak daleko by musel Archimedes urazit, aby zvedl Zemi?
Trocha matematické magie pák, o které se velmi brzy dozvíte a. vyjde z toho milion bilionů kilometrů, alias kvintilion.
Milion bilionů vypadá zklamáním: 1 000 000 000 000 000 000. I při rychlosti pohybu $ 1 frac $ nejenže nestačí život, ale nestačí ani miliarda životů. Můžete si to spočítat sami.
Nápověda: Země je stará čtyři a půl miliardy let. Takže zatímco Archimedes pohne pákou, Země bude mít čas přežít více než 6000 cyklů po sobě jdoucích velkých třesků a apokalyps. Ano, a dali bychom Archimédovi oporu, budiž. Otázka zní: jak zkonstruovat páku tak neuvěřitelné délky v pozemských podmínkách?
Ale jak se pak může přesunout do vesmíru?
