ตั้งแต่สมัยโบราณ มนุษยชาติได้แสวงหาทุกวิถีทางเพื่ออำนวยความสะดวกในการใช้แรงงานของพวกเขา กลไกง่าย ๆ ได้กลายเป็นวิธีการแก้ปัญหานี้ บทความนี้กล่าวถึงสิ่งประดิษฐ์เช่นคันโยกและบล็อก เช่นเดียวกับระบบของคันโยกและบล็อก
เลเวอเรจคืออะไรและใช้เมื่อไหร่
ทุกคนคงคุ้นเคยกับกลไกง่ายๆ นี้มาตั้งแต่เด็ก ในทางฟิสิกส์ คันโยกเป็นการผสมผสานระหว่างคาน (ไม้เท้า กระดาน) และส่วนรองรับหนึ่งอัน ทำหน้าที่เป็นคันโยกสำหรับยกน้ำหนักหรือเพื่อสื่อสารความเร็วกับร่างกาย คันโยกสามารถนำไปสู่การได้รับแรงหรือในการเคลื่อนย้ายของบรรทุกทั้งนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของส่วนรองรับใต้ลำแสง ควรจะกล่าวว่าคันโยกไม่ได้นำไปสู่การลดการทำงานเป็นปริมาณทางกายภาพ แต่ช่วยให้คุณแจกจ่ายการดำเนินการในวิธีที่สะดวกเท่านั้น
ผู้ชายใช้เลเวอเรจมานานแล้ว ดังนั้นจึงมีหลักฐานว่าชาวอียิปต์โบราณใช้ในการสร้างปิรามิด คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ครั้งแรกของผลกระทบของคันโยกมีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสตกาล และเป็นของอาร์คิมิดีส คำอธิบายที่ทันสมัยเกี่ยวกับหลักการทำงานของกลไกนี้ที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องโมเมนต์ของกำลังเกิดขึ้นเฉพาะในศตวรรษที่ 17 ระหว่างการก่อตัวของกลไกคลาสสิกของนิวตัน
กฎของคันโยก
คันโยกทำงานอย่างไร? คำตอบสำหรับคำถามนี้มีอยู่ในแนวคิดเรื่องโมเมนต์ของแรง อันหลังเรียกว่าค่าดังกล่าว ซึ่งได้จากการคูณแขนของแรงด้วยโมดูลัสของมัน นั่นคือ:
M=Fd
แขนบังคับ d คือระยะจากจุดศูนย์กลางถึงจุดบังคับ F
เมื่อคันโยกทำงาน จะมีแรงที่แตกต่างกันสามแบบที่กระทำต่อมัน:
- แรงภายนอกใช้ เช่น โดยบุคคล
- น้ำหนักของบรรทุกที่คนพยายามจะขยับด้วยคันโยก
- ปฏิกิริยาของการสนับสนุนที่กระทำจากด้านข้างของตัวรองรับไปยังคานคันโยก
ปฏิกิริยาของแนวรับสร้างสมดุลให้กับแรงอีกสองแรง ดังนั้นคันโยกจึงไม่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าในอวกาศ เพื่อไม่ให้เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุนด้วย จำเป็นที่ผลรวมของโมเมนต์ของแรงทั้งหมดจะเท่ากับศูนย์ โมเมนต์ของแรงจะวัดโดยสัมพันธ์กับบางแกนเสมอ ในกรณีนี้ แกนนี้คือจุดหมุน ด้วยการเลือกแกนนี้ ไหล่ของการกระทำของแรงปฏิกิริยาของแนวรับจะเท่ากับศูนย์ นั่นคือ แรงนี้จะสร้างโมเมนต์เป็นศูนย์ รูปด้านล่างแสดงคันโยกทั่วไปของประเภทแรก ลูกศรทำเครื่องหมายแรงภายนอก F และน้ำหนักของโหลด R
เขียนผลรวมของช่วงเวลาสำหรับกองกำลังเหล่านี้ เรามี:
RdR+ (-FdF)=0
ความเท่าเทียมกับศูนย์ของผลรวมของโมเมนต์ทำให้ไม่มีการหมุนของคันโยก ช่วงเวลาแรง F ถูกถ่ายด้วยเครื่องหมายลบเพราะแรงนี้มีแนวโน้มที่จะหมุนคันโยกตามเข็มนาฬิกา ในขณะที่แรง R มีแนวโน้มที่จะหมุนทวนเข็มนาฬิกา
เขียนนิพจน์นี้ใหม่ในรูปแบบต่อไปนี้ เราได้รับเงื่อนไขสมดุลสำหรับคันโยก:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
เราได้เขียนความเท่าเทียมกันโดยใช้แนวคิดของโมเมนต์ของแรง ในศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสต์ศักราช อี นักปรัชญาชาวกรีกไม่ทราบเกี่ยวกับแนวคิดทางกายภาพนี้ อย่างไรก็ตาม อาร์คิมิดีสได้สร้างความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างอัตราส่วนของแรงที่กระทำต่อแขนของคันโยกและความยาวของแขนเหล่านี้อันเป็นผลมาจากการสังเกตการทดลอง
ความเท่าเทียมกันที่บันทึกไว้แสดงให้เห็นว่าความยาวของแขนลดลง dR มีส่วนทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการยกน้ำหนักขนาดใหญ่ด้วยความช่วยเหลือของแรง F และ a ขนาดเล็ก แขนยาว dF R cargo.
บล็อกฟิสิกส์คืออะไร
บล็อกเป็นอีกหนึ่งกลไกง่ายๆ คือ ทรงกระบอกกลมที่มีร่องตามแนวเส้นรอบวงของผิวทรงกระบอก ร่องทำหน้าที่ยึดเชือกหรือโซ่ไว้ บล็อกมีแกนหมุน รูปภาพแสดงตัวอย่างบล็อกที่สาธิตวิธีการทำงาน
บล็อกนี้เรียกว่าตายตัว มันไม่ได้เพิ่มความแข็งแกร่ง แต่ให้คุณเปลี่ยนทิศทางได้
นอกจากบล็อกตายตัวแล้วยังมีบล็อกเคลื่อนที่ด้วย ระบบบล็อกที่เคลื่อนย้ายได้และคงที่แสดงอยู่ด้านล่าง
ถ้ากฎของช่วงเวลาถูกนำไปใช้กับระบบนี้ เราก็จะได้ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า แต่ในขณะเดียวกันเราก็สูญเสียจำนวนเท่ากัน (ในรูป F=60 N)
ระบบคันโยกและบล็อค
ดังที่กล่าวในย่อหน้าก่อนหน้านี้ เลเวอเรจสามารถใช้เพื่อรับเส้นทางหรือพลัง ในขณะที่บล็อกช่วยให้คุณได้รับพลังและเปลี่ยนทิศทางของการกระทำของมัน คุณสมบัติเหล่านี้ของกลไกง่าย ๆ ที่พิจารณาใช้ในระบบของคันโยกและบล็อก ในระบบเหล่านี้ แต่ละองค์ประกอบใช้แรงบางส่วนและถ่ายโอนไปยังองค์ประกอบอื่น เพื่อให้เราได้รับแรงดั้งเดิมเป็นผลลัพธ์
ความง่ายในการใช้งานของคันโยกและตัวบล็อกและความยืดหยุ่นของการใช้โครงสร้างทำให้สามารถประกอบกลไกที่ซับซ้อนจากการรวมกันดังกล่าวได้
ตัวอย่างการใช้ระบบกลไกง่ายๆ
อันที่จริงแล้วเครื่องจักรใดๆ ก็ตามที่อยู่รอบตัวเราก็คือระบบของคันโยกและบล็อค นี่คือตัวอย่างที่มีชื่อเสียงที่สุด:
- เครื่องพิมพ์ดีด;
- เปียโน;
- เครน;
- นั่งร้านแบบพับได้;
- เตียงและโต๊ะปรับระดับได้;
- ชุดกระดูก ข้อต่อ และกล้ามเนื้อมนุษย์
หากทราบแรงป้อนเข้าในแต่ละระบบเหล่านี้ แรงส่งออกสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎของคันโยกกับแต่ละองค์ประกอบของระบบอย่างต่อเนื่อง