Seit der Antike versucht die Menschheit mit allen Mitteln, ihre körperliche Arbeit zu erleichtern. Einfache Mechanismen sind zu einem Mittel geworden, um dieses Problem zu lösen. Dieser Artikel behandelt Erfindungen wie Hebel und Block sowie das System von Hebeln und Blöcken.
Was ist Hebelwirkung und wann wurde sie eingesetzt?
Diesen einfachen Mechanismus kennt wohl jeder seit seiner Kindheit. In der Physik ist ein Hebel eine Kombination aus einem Balken (Stab, Brett) und einer Stütze. Dient als Hebel zum Heben von Gewichten oder zur Übertragung von Geschwindigkeit auf Körper. Abhängig von der Position der Stütze unter dem Balken kann der Hebel entweder zu einem Kraftgewinn oder zu einer Lastbewegung führen. Es sollte gesagt werden, dass der Hebel als physikalische Größe nicht zu einer Verringerung der Arbeit führt, sondern nur eine bequeme Umverteilung seiner Ausführung ermöglicht.
Der Mensch nutzt seit langem Hebelwirkung. Es gibt also Hinweise darauf, dass es von den alten Ägyptern beim Bau der Pyramiden verwendet wurde. Die erste mathematische Beschreibung der Hebelwirkung stammt aus dem 3. Jahrhundert v. Chr. und stammt von Archimedes. Eine moderne Erklärung des Funktionsprinzips dieses Mechanismus mitder Begriff des Kraftmoments entstand erst im 17. Jahrhundert während der Entstehung von Newtons klassischer Mechanik.
Hebelregel
Wie funktioniert der Hebel? Die Antwort auf diese Frage ist im Begriff des Kraftmoments enth alten. Letzterer wird als solcher Wert bezeichnet, der sich aus der Multiplikation des Kraftarms mit seinem Modul ergibt, dh:
M=Fd
Der Kraftarm d ist der Abstand vom Drehpunkt zum Angriffspunkt der Kraft F.
Wenn ein Hebel seine Arbeit verrichtet, wirken drei verschiedene Kräfte auf ihn ein:
- externe Krafteinwirkung, beispielsweise durch eine Person;
- das Gewicht der Last, die eine Person mit einem Hebel zu bewegen versucht;
- Rückwirkung des Lagers von der Seite des Lagers auf den Hebelbalken.
Die Reaktion des Trägers gleicht die beiden anderen Kräfte aus, sodass sich der Hebel nicht im Raum nach vorne bewegt. Damit es nicht auch eine Drehbewegung ausführt, ist es notwendig, dass die Summe aller Kraftmomente gleich Null ist. Das Kraftmoment wird immer relativ zu einer Achse gemessen. In diesem Fall ist diese Achse der Drehpunkt. Bei dieser Wahl der Achse ist die Schulter der Wirkung der Reaktionskraft des Trägers gleich Null, dh diese Kraft erzeugt ein Nullmoment. Die folgende Abbildung zeigt einen typischen Hebel der ersten Art. Die Pfeile markieren die äußere Kraft F und das Gewicht der Last R.
Schreibe die Summe der Momente für diese Kräfte auf, wir haben:
RdR+ (-FdF)=0
Nullgleichheit der Summe der Momente stellt die Drehfreiheit der Hebelarme sicher. MomentKraft F wird mit negativem Vorzeichen genommen, da diese Kraft dazu neigt, den Hebel im Uhrzeigersinn zu drehen, während die Kraft R dazu neigt, diese Drehung gegen den Uhrzeigersinn zu bewirken.
Umschreiben dieses Ausdrucks in die folgenden Formen, erh alten wir die Gleichgewichtsbedingungen für den Hebel:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Wir haben die geschriebenen Gleichungen unter Verwendung des Konzepts des Kraftmoments erh alten. Im III. Jahrhundert v. e. Griechische Philosophen kannten dieses physikalische Konzept nicht, dennoch stellte Archimedes aufgrund experimenteller Beobachtungen eine umgekehrte Beziehung zwischen dem Verhältnis der auf die Arme des Hebels wirkenden Kräfte und der Länge dieser Arme fest.
Die aufgezeichneten Gleichungen zeigen, dass eine Verringerung der Armlänge dR dazu beiträgt, dass die Möglichkeit entsteht, große Gewichte mit Hilfe einer kleinen Kraft F und a zu heben langer Arm dF R Fracht.
Was ist ein Block in der Physik?
Block ist ein weiterer einfacher Mechanismus, bei dem es sich um einen runden Zylinder mit einer Rille entlang des Umfangs der zylindrischen Oberfläche handelt. Die Furche dient zur Sicherung des Seils oder der Kette. Der Block hat eine Rotationsachse. Die Abbildung zeigt beispielhaft einen Baustein, der die Funktionsweise demonstriert.
Dieser Block heißt fest. Es gibt keinen Kraftzuwachs, aber es erlaubt dir, seine Richtung zu ändern.
Neben dem festen Block gibt es einen beweglichen Block. Das bewegliche und feste Blocksystem ist unten dargestellt.
Wenn die Momentenregel auf dieses System angewendet wird, dann erh alten wirder Kraftzuwachs ist doppelt so hoch, aber gleichzeitig verlieren wir die gleiche Menge auf dem Weg (in der Abbildung F=60 N).
Das System der Hebel und Blöcke
Wie in den vorherigen Abschnitten erwähnt, kann Hebelwirkung verwendet werden, um Weg oder Kraft zu gewinnen, während Blockieren es Ihnen ermöglicht, Kraft zu gewinnen und die Richtung seiner Aktion zu ändern. Diese Eigenschaften der betrachteten einfachen Mechanismen werden in Systemen von Hebeln und Blöcken verwendet. In diesen Systemen nimmt jedes Element etwas Kraft auf und überträgt sie auf andere Elemente, sodass wir die ursprüngliche Kraft als Ausgabe erh alten.
Die einfache Bedienung des Hebels und des Blocks und die Flexibilität ihrer strukturellen Verwendung ermöglichen es, komplexe Mechanismen aus einer solchen Kombination zusammenzusetzen.
Beispiele für die Verwendung von Systemen einfacher Mechanismen
Tatsächlich sind alle Maschinen, die uns umgeben, Systeme von Hebeln und Blöcken. Hier sind die bekanntesten Beispiele:
- Schreibmaschine;
- Klavier;
- Kran;
- Klappgerüst;
- verstellbare Betten und Tische;
- ein Satz menschlicher Knochen, Gelenke und Muskeln.
Wenn die Eingangskraft in jedem dieser Systeme bekannt ist, kann die Ausgangskraft berechnet werden, indem die Hebelregel sukzessive auf jedes Element des Systems angewendet wird.
