TEMAT 21: Maszyny proste. Większość osób kojarzy pojęcie "maszyna" jako skomplikowaną mechanicznie konstrukcję jak np. obrabiarka, wiertarka czy inne urządzenie posiadające napęd. Tymczasem, w fizyce maszyną prostą nazywamy narzędzia używane w każdym gospodarstwie domowym, jak nożyczki, kombinerki, cążki, obcęgi, dziadek do orzechów czy waga szalkowa. Do maszyn prostych zaliczamy: a) Dźwignię dwustronną b) Dźwignię jednostronną c) Kołowrót d) Klin (równię) Dzięki maszynom prostym można podnieść ciężary, których normalnie nie moglibyśmy podnieść za pomocą siły naszych mięśni. Wiele maszyn prostych okryto już w starożytności, służyły zazwyczaj do rozłupywania kamieni, unoszenia ciężkich przedmiotów lub wydobywania wody. Dziś owe maszyny pomimo, że straciły sporo na znaczeniu praktycznym, gdyż pojawiły się maszyny elektryczne, to są bezustannie przydatne w każdym domu. Starożytny uczony - Archimedes stwierdził: "Dajcie mi punkt podparcia, a poruszę Ziemię". Miał na myśli to, że za pomocą dźwigni można zwiększyć wielokrotnie siłę z która działa się na ciało. Oczywiście pod warunkiem, że w odpowiednim miejscu znajdzie się punkt podparcia wokół którego obraca się dźwignia.
DŹWIGNIA DWUSTRONNA Najprostszym przykładem takiej dźwigni dwustronnej jest belka lub pręt zawieszony bądź podparty, na który po obu stronach osi obrotu działaj co najmniej jedna siła o zgodnych zwrotach. Aby dźwignia była w równowadze, siły przyłożone po obu stronach jej ramion muszą być odwrotnie proporcjonalne do długości ramion. F1 Równanie dźwigni dwustronnej: F 1 r 1 = F 2 r 2 F 1 wartość siły działającej na pierwsze ramię (Rys. - Siła działania), r 1 długość pierwszego ramienia, F 2 wartość siły działającej na drugie ramię(rys. - Siła użyteczna = Siła obciążenia), r 2 długość drugiego ramienia. F 2 r r 2 1 ODMIANĄ DŹWIGNI DWUSTRONNEJ JEST BLOK (KRĄŻEK). 1. Blok stały. Jest przykładem dźwigni dwustronnej równoramiennej, w której r 1 =r 2. Z tego powodu nie zmienia on wartości siły F, a jedynie jej kierunek. Warunek równowagi:
2. Blok ruchomy. Krążek, na którym zawieszone jest ciało podnoszone to krążek ruchomy. Ciężar podnoszonego ciała rozkłada się na dwie równe i równoległe siły, z których jedna jest siłą czynną. DŹWIGNIA JEDNOSTRONNA To belka lub pręt podparty lub zawieszony, na którym po tej samej stronie osi obrotu działają co najmniej dwie siły o przeciwnych zwrotach. Dla dźwigni jednostronnej warunek równowagi (prawo równowagi) jest takie samo jak dla dźwigni dwustronnej, czyli: Przykłady:
KOŁOWRÓT Jednym z rodzajów maszyn prostych wykorzystywanych w życiu codziennym jest kołowrót, którego schemat jest przedstawiony poniżej: Warunek równowagi kołowrotu: (taki sam jak przy powyższych maszynach prostych) Przykłady: o Kierownica w samochodzie o Klamki w drzwiach o Pedał w rowerze o Kurki przy zlewozmywaku o Kołowrót wykorzystuje się do wydobycia wody ze studni RÓWNIA POCHYŁA W wielu przypadkach zamiast podnosić przedmiot na znaczną wysokość, wtacza się go lub wciąga po równi pochyłej. Równia pochyła jest to ciało sztywne, którego jedna powierzchnia stanowi płaszczyznę ustawioną pod pewnym kątem do kierunku działania siły (rys. poniżej). Warunek równowagi dla równi pochyłej: l długość równi pochyłej h wysokość równi pochyłej
Przykłady: o Schody o Podjazdy o Skocznie narciarskie o Jej odmianą są również kliny używane jako: siekiery, noże, igły, gwoździe. Informacja dodatkowa do tematu: Stosując maszyny proste, zyskujemy na sile, ale nie zyskujemy na pracy. ZADANIA DO ROZWIĄZANIA: 1. Jacek za pomocą dźwigni dwustronnej chce podnieść paczkę o ciężarze 1200N. Ramię r 1 =2m, a ramię r 2 =0,5m. Jaka siła jest potrzebna do zrównoważenia dźwigni? 2. Jaką siłą musisz ścisnąć rączki dziadka do orzechów, aby zgnieść orzech, którego łupina wytrzymuje nacisk 500N? Długość dłuższego ramienia wynosi 15cm, zaś krótszego 3cm. 3. Jaką siłą musi działać Adam na ramię kołowrotu, aby wyciągnąć ze studni wiadro z wodą o ciężarze F 2 =150N. Ramię kołowrotu ma długość r 1 =60cm, a promień wału na który nawija się lina r 2 =15cm. 4. Jaką najmniejszą siłą musi działać Irek na beczkę o ciężarze 500N, aby wtoczyć ją po pochylni o długości 2m na przyczepę o wysokości 1m? Porównaj pracę wykonaną tym sposobem z pracą, jaką trzeba by wykonać bez użycia równi pochyłej.