Keuntungan Menggunakan Tuas & Katrol

Isi

• Kerja, Energi, dan Kekuatan
• Esensi Mesin Sederhana
• Keuntungan Mekanis
• Memperkenalkan Lever
• Kelas Pengungkit
• Pengungkit Fisiologis dan Anatomi
• Contoh Masalah Lever
• Keuntungan Mekanis: Katrol
• Katrol Senyawa
• Contoh Masalah Katrol
• Kalkulator Keuntungan Mekanis

Ketika seseorang meminta Anda untuk mempertimbangkan konsep a mesin pada abad ke-21, ini adalah virtual mengingat bahwa gambar apa pun yang terlintas dalam pikiran Anda melibatkan elektronik (mis., apa pun dengan komponen digital) atau setidaknya sesuatu yang ditenagai oleh listrik.

Gagal bahwa, jika Anda adalah penggemar, katakanlah, ekspansi Amerika Barat abad ke-19 ke arah Samudra Pasifik, Anda mungkin berpikir tentang mesin uap lokomotif yang memberi tenaga kereta pada masa itu - dan mewakili keajaiban teknik asli pada saat itu.

Pada kenyataannya, mesin sederhana telah ada selama ratusan dan dalam beberapa kasus ribuan tahun, dan tidak satu pun dari mereka memerlukan perakitan teknologi tinggi atau kekuatan di luar apa yang orang atau orang yang menggunakannya dapat menyediakan. Tujuan dari berbagai jenis mesin sederhana ini adalah sama: untuk menghasilkan tambahan memaksa dengan mengorbankan jarak dalam beberapa bentuk (dan mungkin sedikit waktu juga, tapi itu kebawelan).

Jika itu terdengar seperti sihir bagimu, itu mungkin karena kekuatanmu yang membingungkan energi, jumlah yang terkait. Tetapi sementara benar bahwa energi tidak dapat "diciptakan" dalam suatu sistem kecuali dari bentuk energi lain, hal yang sama tidak berlaku untuk kekuatan, dan alasan sederhana untuk ini dan lebih menunggu Anda.

Kerja, Energi, dan Kekuatan

Sebelum memakukan bagaimana objek digunakan untuk memindahkan objek lain di dunia, ada baiknya untuk memiliki pegangan pada terminologi dasar.

Pada abad ke-17, Isaac Newton memulai karya revolusionernya dalam fisika dan matematika, salah satu puncaknya adalah Newton memperkenalkan tiga hukum gerak dasarnya. Yang kedua menyatakan bahwa jaring memaksa bertindak untuk mempercepat, atau mengubah kecepatan, massa: F_bersih = mSebuah.

Ketika suatu gaya memindahkan suatu benda melalui suatu perpindahan d, kerja dikatakan telah dilakukan pada objek itu:

W = F ⋅ d.

Nilai kerja positif ketika gaya dan perpindahan berada di arah yang sama, dan negatif ketika berada di arah lain. Pekerjaan memiliki unit yang sama dengan energi, meter (juga disebut joule).

Energi adalah sifat materi yang bermanifestasi dalam banyak hal, baik dalam bentuk bergerak maupun "beristirahat", dan yang penting, ia dilestarikan dalam sistem tertutup dengan cara yang sama dengan gaya dan momentum (kecepatan waktu massa) dalam fisika.

Esensi Mesin Sederhana

Jelas, manusia perlu memindahkan barang, seringkali jarak jauh. Berguna untuk menjaga jarak tetap tinggi namun memaksa - yang membutuhkan tenaga manusia, yang semakin mencolok di masa pra-industri - entah bagaimana rendah. Persamaan kerja tampaknya memungkinkan untuk ini; untuk jumlah pekerjaan tertentu, seharusnya tidak masalah apa nilai individu dari F dan d.

Seperti yang terjadi, ini adalah prinsip di balik mesin sederhana, meskipun seringkali tidak dengan gagasan memaksimalkan variabel jarak. Semua enam jenis klasik ( tuas, itu katrol, itu roda dan poros, itu bidang miring, itu baji dan sekrup) digunakan untuk mengurangi gaya yang diterapkan pada biaya jarak untuk melakukan jumlah pekerjaan yang sama.

Keuntungan Mekanis

Istilah "keunggulan mekanis" mungkin lebih memikat daripada yang seharusnya, karena tampaknya hampir menyiratkan bahwa sistem fisika dapat dimainkan untuk mengekstraksi lebih banyak pekerjaan tanpa input energi yang sesuai. (Karena pekerjaan memiliki unit energi dan energi disimpan dalam sistem tertutup, ketika pekerjaan dilakukan, besarnya harus sama dengan energi yang dimasukkan ke dalam gerakan apa pun yang terjadi.) Sayangnya, ini bukan masalahnya, tetapi keuntungan mekanik (MA) masih menawarkan beberapa hadiah hiburan.

Untuk saat ini, pertimbangkan dua kekuatan yang berlawanan F₁ dan F.₂ bertindak tentang titik pivot, yang disebut a titik tumpu. Jumlah ini, torsi, dihitung hanya sebagai besarnya dan arah gaya dikalikan dengan jarak L dari titik tumpu, yang dikenal sebagai lengan tuas: T = F* L*. Jika kekuatan F₁ dan F.₂ harus seimbang, T₁ harus sama besarnya untuk T₂, atau

F₁L.₁ = F₂L.₂.

Ini juga bisa ditulis F₂/ F₁ = L₁/ L₂. Jika F₁ adalah kekuatan input (Anda, orang lain atau mesin lain atau sumber energi) dan F₂ adalah kekuatan output (juga disebut beban atau resistansi), maka semakin tinggi rasio F2 ke F1, semakin tinggi keunggulan mekanis sistem, karena semakin banyak gaya output yang dihasilkan dengan menggunakan daya input yang relatif sedikit.

Rasio F₂/ F₁, atau mungkin lebih disukai F_Hai/ F_saya, adalah persamaan untuk MA. Dalam masalah pengantar, biasanya disebut keunggulan mekanik ideal (IMA) karena efek gesekan dan hambatan udara diabaikan.

Memperkenalkan Lever

Dari informasi di atas, Anda sekarang tahu apa yang terdiri dari tuas dasar: a titik tumpu, sebuah kekuatan input dan a beban. Terlepas dari pengaturan yang sederhana ini, tuas dalam industri manusia hadir dalam presentasi yang sangat beragam. Anda mungkin tahu bahwa jika Anda menggunakan bilah untuk memindahkan sesuatu yang menawarkan beberapa opsi lain, Anda telah menggunakan tuas. Tapi Anda juga menggunakan tuas saat Anda memainkan piano atau menggunakan satu set gunting kuku standar.

Tuas dapat "ditumpuk" dalam hal pengaturan fisik mereka sedemikian rupa sehingga keunggulan mekanis individu mereka meringkas sesuatu yang bahkan lebih besar untuk sistem secara keseluruhan. Sistem ini disebut tuas majemuk (dan memiliki pasangan di dunia katrol, seperti yang akan Anda lihat).

Aspek multiplikasi dari mesin sederhana ini, baik di dalam tuas dan katrol individual dan antara yang berbeda dalam susunan majemuk, yang membuat mesin sederhana bernilai apa pun sakit kepala yang kadang-kadang mereka sebabkan.

Kelas Pengungkit

SEBUAH tuas urutan pertama memiliki titik tumpu antara gaya dan beban. Contohnya adalah "jungkat jungkit"Di taman bermain sekolah.

SEBUAH tuas orde kedua memiliki titik tumpu di satu ujung dan gaya di sisi lain, dengan beban di antaranya. Itu kereta sorong adalah contoh klasik.

SEBUAH tuas urutan ketiga, seperti tuas orde kedua, memiliki titik tumpu di satu ujung. Tetapi dalam kasus ini, beban ada di ujung lain dan gaya diterapkan di suatu tempat di antara keduanya. Banyak alat olahraga, seperti kelelawar bisbol, mewakili kelas pengungkit ini.

Keuntungan mekanis dari tuas dapat dimanipulasi di dunia nyata dengan penempatan strategis dari tiga elemen yang diperlukan dari sistem tersebut.

Pengungkit Fisiologis dan Anatomi

Tubuh Anda penuh dengan tuas yang saling berinteraksi. Salah satu contoh adalah bisep. Otot ini menempel pada lengan pada titik antara siku ("titik tumpu") dan beban apa pun yang ditanggung oleh tangan. Ini membuat bicep sebagai tuas urutan ketiga.

Mungkin kurang jelas, otot betis dan tendon Achilles di kaki Anda bertindak bersama sebagai jenis pengungkit yang berbeda. Saat Anda berjalan dan berguling ke depan, bola kaki Anda bertindak sebagai titik tumpu. Otot dan tendon mengerahkan kekuatan ke atas dan ke depan, menangkal berat badan Anda. Ini adalah contoh tuas orde kedua, seperti gerobak dorong.

Contoh Masalah Lever

Sebuah mobil dengan massa 1.000 kg, atau 2.204 lb (berat: 9.800 N) bertengger di ujung batang baja yang sangat kaku tetapi sangat ringan, dengan tumpuan ditempatkan 5 m dari pusat massa mobil. Seseorang dengan massa 5 kg (110 lb) mengatakan dia dapat mengimbangi berat mobil sendiri dengan berdiri di ujung lain dari batang, yang dapat diperpanjang secara horizontal selama diperlukan. Seberapa jauh dari titik tumpu dia harus mencapai ini?

Keseimbangan kekuatan mengharuskan F₁L.₁ = F₂L.₂, di mana F1 = (50 kg) (9,8 m / s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N, dan L2 = 5. Dengan demikian L1 = (9800) (5) / (490) = 100 m (sedikit lebih lama dari lapangan sepak bola).

Keuntungan Mekanis: Katrol

Katrol adalah sejenis mesin sederhana yang, seperti yang lainnya, telah digunakan dalam berbagai bentuk selama ribuan tahun. Anda mungkin pernah melihatnya; mereka dapat diperbaiki atau dipindahkan, dan termasuk tali atau kabel luka di sekitar cakram bundar yang berputar, yang memiliki alur atau cara lain untuk menjaga kabel agar tidak tergelincir ke samping.

Keuntungan utama dari katrol adalah tidak meningkatkan MA, yang tetap pada nilai 1 untuk katrol sederhana; itu bisa mengubah arah gaya yang diberikan. Ini mungkin tidak masalah jika gravitasi tidak ada dalam campuran, tetapi karena itu, hampir setiap masalah rekayasa manusia melibatkan pertempuran atau memanfaatkannya dengan cara tertentu.

Katrol dapat digunakan untuk mengangkat benda berat dengan relatif mudah dengan memungkinkan untuk menerapkan gaya dalam arah gravitasi yang sama - dengan menarik ke bawah. Dalam situasi seperti itu, Anda juga dapat menggunakan massa tubuh Anda sendiri untuk membantu menaikkan beban.

Katrol Senyawa

Sebagaimana dicatat, karena semua katrol sederhana adalah mengubah arah gaya, kegunaannya di dunia nyata, meskipun cukup besar, tidak dimaksimalkan. Sebagai gantinya, sistem beberapa katrol dengan jari-jari yang berbeda dapat digunakan untuk melipatgandakan gaya yang diterapkan. Ini dilakukan melalui tindakan sederhana membuat lebih banyak tali diperlukan, karena F_saya jatuh ketika d naik untuk nilai tetap W.

Ketika satu katrol dalam rantai mereka memiliki jari-jari yang lebih besar daripada yang mengikutinya, ini menciptakan keuntungan mekanis pada pasangan ini yang sebanding dengan perbedaan nilai jari-jari. Susunan panjang katrol semacam itu, disebut a katrol majemuk, dapat memindahkan beban yang sangat berat - cukup bawa banyak tali!

Contoh Masalah Katrol

Satu peti buku fisika yang baru tiba dengan berat 3.000 N diangkat oleh seorang pekerja dermaga, yang menarik dengan kekuatan 200 N pada tali katrol. Apa keuntungan mekanis dari sistem?

Masalah ini benar-benar sesederhana kelihatannya; F_Hai/ F_saya = 3,000/200 = 15.0. Intinya adalah untuk menggambarkan apa penemuan yang luar biasa dan kuat mesin sederhana, terlepas dari jaman dahulu dan kurangnya kemewahan elektronik, sebenarnya.

Kalkulator Keuntungan Mekanis

Anda dapat memanjakan diri Anda dengan kalkulator daring yang memungkinkan Anda bereksperimen dengan banyak input berbeda dalam hal jenis tuas, panjang tuas relatif, konfigurasi katrol, dan lebih banyak lagi sehingga Anda dapat merasakan bagaimana angka-angka dalam jenis masalah ini bermain. Contoh dari alat praktis seperti ini dapat ditemukan di Sumber Daya.