Kladka nepoužívá palivo ani elektřinu a neběží sama o sobě, ale stále je to stroj. Není to stroj, jak je slovo definováno slovníkem Merriam-Webster, ale stroj, který inženýři definují slovo: „Jednoduché stroje jsou zařízení, která lze použít k vynásobení nebo zvýšení síly, kterou aplikujeme - často na úkor vzdálenosti, kterou aplikujeme sílu. “
kredit: gaspr13 / iStock / GettyImagesJak velká váha Odjíždí kladka?Každý stroj má mechanickou výhodu
Seznam jednoduchých strojů zahrnuje položky, které lidé každý den používají, jako kladiva, šroubováky a kliky. Všechny tyto nástroje spadají do jedné ze šesti klasických kategorií jednoduchých strojů. Kategorie jsou:
- Kolo na hřídeli
- Kladka
- Páka
- Nakloněná rovina
- Šroub
- Klín
Někteří vědci považují šroub a klín za speciální typy nakloněných rovin, což zmenšuje seznam na čtyři položky. Můžete dokonce považovat řemenici za zvláštní případ kola a nápravy a zmenšit seznam na tři položky. Bez ohledu na to, kolik položek je na seznamu, kladka se kvalifikuje jako stroj.
Poměr výstupní síly stroje k síle, kterou na něj působíte, se nazývá stroj mechanická výhoda (MA). Aby byl stroj strojem, musí být výstupní síla větší než vstupní síla, což znamená, že mechanická výhoda musí být vždy větší než 1. Čím větší je mechanická výhoda, tím menší síla musíte do stroje vložit, aby byl stroj práce.
Mechanická výhoda systému kladek
Mechanickou výhodu systému řemenic můžete vypočítat výpočtem síly potřebné ke zvednutí břemene do určité výšky bez kladky (výstupní síla, FÓ) a poté vypočítá sílu potřebnou k tomu s řemenicí (vstupní síla FJá). Mechanická výhoda je poměr výstupní síly k vstupní síle: MA = FÓ/ FJá. Čím menší je vstupní síla vzhledem k výstupní síle, tím větší je mechanická výhoda.
Pro jednoduchý kladkový systém je výpočet jeho mechanické výhody směšně snadný. Jednoduše spočítejte počet lan, která podporují náklad.
Jakmile znáte mechanickou výhodu, můžete vypočítat sílu potřebnou ke zvednutí známé hmotnosti. Síla a hmotnost znamenají totéž, takže výpočtem mechanické výhody budete moci zjistit snížení zatížení kladky.
Abyste získali mechanickou výhodu, musíte přitáhnout více lana
„Počkej,“ řekneš. "Jak víš, že mechanická výhoda se rovná počtu lan?" Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíte vědět co práce je, a ne druh práce, kterou děláte ve své práci 9 na 5.
Pokud jde o fyziky, pracujete (W) pomocí síly (F) na vzdálenost (d). Práce vypočítáte vynásobením síly vzdáleností:
W = F • d.
Práce souvisí s energií a protože jedním z nejzákladnějších přírodních zákonů je, že energie je vždy zachována, musí být práce zachována. Pokud je síla aplikovaná na kladkový systém menší než síla potřebná pro zvedání břemene, musí se něco změnit, aby se množství práce, kterou děláte, rovnalo množství práce potřebné pro zvedání břemene.
Množství, které se mění, je vzdálenost. Při použití systému kladky vynakládáte menší sílu, abyste zvedli náklad, ale musíte zvednout více lana, abyste zvedli náklad do určité výšky. Pokud máte systém s dvojitou kladkou, musíte zatáhnout dvakrát tolik lana; v systému trojité kladky musíte táhnout třikrát tolik, a tak dále. Ve skutečnosti pro každý systém řemenic můžete vypočítat množství dalšího lana, které musíte vytáhnout, spočtením počtu lan podporujících zatížení.
Snížení hmotnosti, síly a zatížení kladky
Hmotnost a síla nejsou různá množství. Hmotnost objektu není nic jiného než síla, která na něj působí gravitací, takže když zvedáte objekt, musíte vyvinout sílu rovnající se gravitační síle. Pokud máte jeden kladkový systém, umožňuje vám tahat lano namísto nahoru, což je rozhodně snazší, ale síla, kterou vyvíjíte je stále stejný jako hmotnost nákladu zvedáš.
Pokud přidáte kladku pod první, smyčku lana kolem obou kladek a zavěšení zátěže z druhé kladky, zatížení je nyní podporováno dvěma lany. Mechanická výhoda tohoto nového vylepšeného systému řemenic je tedy 2, což znamená, že musíte jen vyvíjet síla rovnající se polovině hmotnosti nákladu zvednout to. Zavěste třetí kladku od první, smyčku lana, takže tři lana jsou zavěšení zatížení, a síla, kterou musíte vyvinout, aby zvedl zatížení, je pouze jedna třetina jeho hmotnosti.
Obecně lze říci, že redukce zatížení kladky je reciproční k počtu lan podporujících zatížení, ale jen málo praktických systémů kladek má více než čtyři lana. Maximální redukce zatížení řemenic, kterou můžete realizovat, je tedy čtvrtina hmotnosti zátěže. Ve skutečnosti je skutečné snížení zátěže o něco menší než toto, protože musíte brát v úvahu tření v kladkách.
Příklad kalkulátoru hmotnosti řemenice
Předpokládejme, že můžete zvednout osobu 200 liber sami, ale to je limit vašich schopností vzpírání. Dokážete vymyslet systém kladky pro zvednutí automobilu o hmotnosti 2 000 liber? Pravděpodobně ne proto, že by i systém čtyř řemenic snížil hmotnost pouze o čtvrtinu, a to je stále 500 liber.
Předpokládejme, že byste mohli sestavit pár kladkových systémů a získat přítele, který je stejně silný jako vy, aby jeden z nich vytáhl. Stále byste měli potíže, ale mohli byste to udělat, protože každá kladka zvedla polovinu váhy nebo 1 000 liber a čtvrtina této hmotnosti je 250 liber. Pokud jste však do práce přidali třetí kladku a třetí osobu, každý by musel vynaložit pouze 167 liber síly, což je dobře v jejich schopnostech, takže tento systém bude fungovat snadno.
Kalkulačka hmotnosti řemenice nezávisí na tom, která hmotnost se zvedne jako první, když je lano vytaženo, protože pokud jedna osoba táhne dříve, než ostatní dva, auto se nepohybuje. Všichni tři lidé musí tahat současně, aby se správně rozložili zatížení a rovnoměrně rozložili hmotnost mezi tři kladky. Když tři lidé pracují současně, existuje ve skutečnosti 12 lan podporujících vůz, což zvyšuje mechanickou výhodu systému kladek 12 a snižuje síťovou sílu potřebnou pro zvednutí vozidla na 2 000 ÷ 12 = 167 liber.
