Зміст
Кілька цікавих ситуацій можна створити шківами, щоб перевірити студентам розуміння другого закону руху Ньютона, закону збереження енергії та визначення роботи з фізики. Особливо повчальну ситуацію можна знайти з того, що називається диференціальним шківом, звичайним інструментом, який використовується в механічних цехах для важкого підйому.
Механічна перевага
Як і у випадку з важелем, збільшення відстані, на яку застосовується сила, порівняно з відстані, яку навантаження піднімає, збільшує механічну перевагу або важіль. Припустимо, використовуються два блоки шківів. Один кріпиться до вантажу; один кріпиться вище до опори. Якщо вантаж повинен бути піднятий X одиницями, то нижній шків повинен також підніматися на X одиниць. Блок шківа вгорі не рухається вгору або вниз. Тому відстань між двома блоками шківів повинно скорочуватися на X одиниць. Довжина лінії, що перетинається між двома блоками шківів, повинна укорочувати X одиниць. Якщо є Y таких ліній, то знімач повинен витягувати одиниці X --- Y, щоб підняти навантаження X одиниць. Таким чином, необхідна сила в 1 / Y разів перевищує вагу вантажу. Механічну перевагу кажуть Y: 1.
Закон збереження енергії
Це використання є результатом закону збереження енергії. Нагадаємо, що робота - це форма енергії. Під роботою ми маємо на увазі визначення фізики: сила, прикладена до відстані в часі навантаження, на яку навантаження переміщується силою. Отже, якщо навантаження становить Z ньютонів, енергія, яку вона потрібна для підйому на одиниці X, повинна дорівнювати роботі, виконаній знімачем. Іншими словами, Z --- X повинна дорівнювати (сила, прикладена пуллером) --- XY. Тому сила, яку прикладає знімач, дорівнює Z / Y.
Диференціальний шків
Цікаве рівняння виникає, коли ви робите лінію суцільним циклом, а блок, що висить на опорі, має два шківи, один трохи менший за інший. Припустимо також, що два шківи в блоці приєднані так, щоб вони оберталися разом. Назвіть радіуси шківів "R" і "r", де R> r.
Якщо знімач витягне достатню лінію для обертання нерухомих шківів через одне обертання, він витягнув 2πR лінії. Потім більший шків зайняв 2πR лінії від підтримки вантажу. Менший шків обертався в тому ж напрямку, випускаючи 2πr лінії до вантажу. Так навантаження піднімається на 2πR-2πr. Механічна перевага - відстань, витягнута поділеною на відстань, що піднімається, або 2πR / (2πR-2πr) = R / (R-r). Зауважте, що якщо радіуси відрізняються лише на 2 відсотки, механічна перевага - це колосальні 50 на 1.
Такий шків називають диференціальним шківом. Це поширене кріплення в автосервісах. Цікавою властивістю є те, що лінія, яку тягне тягач, може вільно вішати, коли вантаж тримається на повітрі, тому що завжди існує достатньо тертя, щоб протилежні сили на двох шківах запобігали його повороту.
Закон Ньютона
Припустимо, два блоки з'єднані, і один, називаючи його M1, звисає з шківа. Як швидко вони прискоряться? Другий закон Ньютона пов’язує силу і прискорення: F = ma. Маса двох блоків відома (M1 + M2). Прискорення невідомо. Сила відома з гравітаційного потягу на M1: F = ma = M1 --- g, де g - гравітаційне прискорення на поверхні Землі.
Майте на увазі, що M1 і M2 будуть прискорені разом. Знайшовши їх прискорення, a, тепер є лише питанням заміни у формулу F = ma: M1 --- g = (M1 + M2) a. Звичайно, якщо тертя між M2 та таблицею є однією із сил, проти яких F = M1 --- g повинна протидіяти, то ця сила легко додається і в праву частину рівняння, і перед прискоренням, a, є вирішено для.
Більше висячих блоків
Що робити, якщо обидва блоки висять? Тоді в лівій частині рівняння є два додатки замість лише одного. Легша буде рухатися в протилежному напрямку від результуючої сили, оскільки більша маса визначає напрямок двомасової системи; отже, гравітаційну силу на меншу масу слід відняти. Припустимо, M2> M1. Тоді ліва частина зверху змінюється з M1 --- g на M2 --- g-M1 --- g. Права залишається такою ж: (M1 + M2) a. Акселерація, а, потім тривіально вирішується арифметично.