Maszyny proste

Maszyny proste - wstęp

Dźwignia dwustronna

  Ramiona i przekładnia dźwigni dwustronnej

  Przykład zastosowania dźwigni dwustronnej

Dźwignia jednostronna

  Ramiona i przekładnia dźwigni jednostronnej

  Dźwignia jednostronna - przykład

Kołowrót

  Przekładnia kołowrotu

Klin

Zysk na sile – ale jakim kosztem.

Zysk na sile – ale jakim kosztem...

Wszystkie maszyny proste dają zysk na sile. Gdyby nie odbywało się to żadnym kosztem, to mogliśmy w łatwo uzyskiwać energię w darmowy sposób. Jednak niestety, istnieje dość istotne ograniczenie wykorzystywania maszyn prostych

– każdy zysk na sile, jest okupiony koniecznością pokonania dłuższej drogi.

I tak w przypadku dźwigni - ramię siły działania (jeśli przekładnia jest większa od 1) zatacza większy łuk, niż ramię siły użytecznej. Przy braku dodatkowych oporów ruchu, punkt przyłożenia siły działania ma dokładnie tyle samo razy większą drogę do pokonania w stosunku do punktu przyłożenia siły użytecznej, ile razy większa jest jedna siła od drugiej.

Przykładowo: 
– jeśli nasz zysk na sile wynosi 2 (np. podnosimy ciężar 100 N za pomocą siły 50 N), to podniesienie tego ciężaru na wysokość 1 cm będzie wymagało przesunięcia końca ramienia siły działania na odległość 2 cm.
Podobnie jest w przypadku kołowrotu – tam ostatecznie droga przebyta przez rękę kręcącą korbą jest „przekładnię razy” dłuższa od drogi wciągnięcia ciężaru (a więc i długości nawiniętej linki).
Identyczna zasada stosuje się w odniesieniu do równi – tutaj np. 3 krotne zmniejszenie siły wciągania ciała spowoduje, że potrzebne będzie przynajmniej 3 krotne zwiększenie drogi w stosunku do bezpośredniego podnoszenia ciała na określoną wysokość.

Zasada ogólna maszyn prostych

krotność zysku na sile = krotność straty na drodze.

Lub inaczej:

Siła działania * droga siły działania = siła użyteczna * droga siły użytecznej

F_{siły_działania} * S_{siły_działania} = F_{siły_użytecznej} * S_{siły_użytecznej}

Lub jeszcze inaczej:

Siła x droga = const

Maszyny proste spełniają zasadę zachowania pracy – energii.

Powyższe zasady można prosto zinterpretować przy użyciu wielkości fizycznej zwanej pracą.

W = F S

W przypadku gdy brak jest oporów ruchu, praca siły działania jest równa pracy siły użytecznej.

W_{siły_działania} = W_{siły_użytecznej}.

Równanie to można interpretować jako zasadę zachowania pracy, lub w niektórych ujęciach „złotą zasadą mechaniki”.

Dodatkowa strata - na tarcie

Warto tu jeszcze dodać, że do ogólnego bilansu zysków i strat należy dodać jeszcze jedną stratę - na tarcie. Każdy ruch z użyciem maszyny prostej wymaga nie tylko takiej siły jaka wynika z ww. zasady, ale dodatkowo z pokonywania sił tarcia. Tak więc, aby naprawdę zyskać coś na sile, musimy zastosować przekładnię, która przynajmniej ma krotność przewyższającą stratę związaną z tarciem.

Na szczęście zwykle w prostych problemach owych strat na tarcie się nie uwzględnia. I jest to słuszne o ile owe straty są małe w porównaniu z osiąganym zyskiem na sile.

Ponieważ pracę często utożsamia się z energią mechaniczną, więc powyższa zasada może być traktowana jako postać zasady zachowania energii mechanicznej.