מאז ימי קדם, האנושות חיפשה בכל דרך להקל על עבודתם הפיזית. מנגנונים פשוטים הפכו לאמצעי לפתור בעיה זו. מאמר זה דן בהמצאות כגון המנוף והגוש, וכן במערכת המנופים והבלוקים.
מהו מינוף ומתי נעשה בו שימוש?
כנראה שכולם מכירים את המנגנון הפשוט הזה מילדות. בפיזיקה, מנוף הוא שילוב של קורה (מוט, לוח) ותמיכה אחת. משמש כמנוף להרמת משקולות או להעברת מהירות לגופים. בהתאם למיקום התמיכה מתחת לקורה, המנוף יכול להוביל לרווח בכוח או בתנועת עומסים. יש לומר שהמנוף אינו מביא להפחתת העבודה ככמות פיזית, הוא רק מאפשר לחלק מחדש את ביצועה בצורה נוחה.
האדם משתמש במינוף כבר זמן רב. אז יש עדויות לכך שהמצרים הקדמונים השתמשו בו בבניית הפירמידות. התיאור המתמטי הראשון של השפעת המנוף מתוארך למאה ה-3 לפני הספירה ושייך לארכימדס. הסבר מודרני של עקרון הפעולה של מנגנון זה הכרוךהרעיון של רגע הכוח עלה רק במאה ה-17, במהלך היווצרות המכניקה הקלאסית של ניוטון.
כלל מנוף
איך המנוף עובד? התשובה לשאלה זו טמונה במושג רגע הכוח. זה האחרון נקרא ערך כזה, שמתקבל כתוצאה מהכפלת זרוע הכוח במודול שלו, כלומר:
M=Fd
זרוע הכוח d היא המרחק מנקודת המשען לנקודת הפעלת הכוח F.
כאשר מנוף עושה את עבודתו, פועלים עליו שלושה כוחות שונים:
- כוח חיצוני המופעל, למשל, על ידי אדם;
- משקל המטען שאדם מבקש להזיז בעזרת מנוף;
- תגובת התמיכה הפועלת מהצד של התמיכה לקורה המנוף.
תגובת התמיכה מאזנת את שני הכוחות האחרים, כך שהמנוף אינו זז קדימה במרחב. כדי שהוא לא יבצע גם תנועה סיבובית, יש צורך שסכום כל מומנטי הכוחות יהיה שווה לאפס. מומנט הכוח נמדד תמיד ביחס לציר כלשהו. במקרה זה, ציר זה הוא נקודת המשען. בבחירת ציר זו, כתף הפעולה של כוח התגובה של התמיכה תהיה שווה לאפס, כלומר כוח זה יוצר מומנט אפס. האיור שלהלן מציג מנוף טיפוסי מהסוג הראשון. החצים מסמנים את הכוח החיצוני F ואת משקל המטען R.
רשום את סכום המומנטים של הכוחות האלה, יש לנו:
RdR+ (-FdF)=0
שוויון לאפס של סכום המומנטים מבטיח היעדר סיבוב של זרועות המנוף. רֶגַעכוח F נלקח עם סימן שלילי מכיוון שכוח זה נוטה לסובב את הידית בכיוון השעון, בעוד שכוח R נוטה לבצע את הסיבוב הזה נגד כיוון השעון.
שכתוב ביטוי זה בצורות הבאות, נקבל את תנאי שיווי המשקל עבור המנוף:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
השגנו את השוויון הכתוב באמצעות המושג של רגע הכוח. במאה השלישית לפני הספירה. ה. פילוסופים יווניים לא ידעו על מושג פיזיקלי זה, עם זאת, ארכימדס קבע יחס הפוך בין יחס הכוחות הפועלים על זרועות המנוף ואורך הזרועות הללו כתוצאה מתצפיות ניסויות.
השוויון שנרשם מראים שירידה באורך הזרוע dR תורמת להופעתה של האפשרות להרים משקלים גדולים בעזרת כוח קטן F ו-a זרוע ארוכה dF R cargo.
מהו בלוק בפיזיקה?
בלוק הוא עוד מנגנון פשוט, שהוא גליל עגול עם חריץ לאורך היקף המשטח הגלילי. התלם משמש לאבטחת החבל או השרשרת. לבלוק יש ציר סיבוב. האיור מציג דוגמה לבלוק שמדגים איך הוא עובד.
בלוק הזה נקרא קבוע. זה לא נותן רווח בכוח, אבל מאפשר לך לשנות את הכיוון שלו.
מלבד הבלוק הקבוע, יש בלוק נע. מערכת הבלוקים הניידת והקבועה מוצגת למטה.
אם כלל הרגעים מיושם על המערכת הזו, אז נקבלהרווח בכוח הוא פי שניים, אבל באותו זמן אנחנו מפסידים את אותה הכמות בדרך (בדמות F=60 N).
מערכת המנופים והבלוקים
כפי שהוזכר בפסקאות הקודמות, ניתן להשתמש במינוף כדי להשיג נתיב או כוח, בעוד שבלוק מאפשר לצבור כוח ולשנות את כיוון הפעולה שלו. מאפיינים אלה של המנגנונים הפשוטים הנחשבים משמשים במערכות של מנופים ובלוקים. במערכות אלו, כל אלמנט לוקח כוח כלשהו ומעביר אותו לאלמנטים אחרים כך שנקבל את הכוח המקורי כפלט.
קלות התפעול של המנוף והגוש וגמישות השימוש המבני בהם מאפשרים להרכיב מנגנונים מורכבים משילוב כזה.
דוגמאות לשימוש במערכות של מנגנונים פשוטים
למעשה, כל המכונות שמקיפות אותנו הן מערכות של מנופים ובלוקים. להלן הדוגמאות המפורסמות ביותר:
- מכונת כתיבה;
- piano;
- crane;
- פיגומים מתקפלים;
- מיטות ושולחנות מתכווננים;
- סט של עצמות, מפרקים ושרירים אנושיים.
אם כוח הקלט בכל אחת מהמערכות הללו ידוע, אזי ניתן לחשב את כוח הפלט על ידי החלת כלל המנוף ברציפות על כל אלמנט של המערכת.
