Ocena brak

Co to są i jak działają maszyny proste?

Autor /Komun Dodano /31.01.2012

Maszyny proste są nieskompliko­wanymi urządzeniami, za pomocą których pracę jednej siły na pewnej drodze zastępuje się pracą innej, zwykle mniejszej siły, na wydłużonej drodze. Każda złożona maszyna czy urządzenie składa się z wielu maszyn prostych.
Wiele urządzeń potrafi zmieniać jedną formę energii w inną. Przykładowo elek­tryczna maszyna do szycia przekształca energię elektryczną w mechaniczną, tj. ruch igły. Silnik wysokoprężny zmienia energię wiązań che­micznych paliwa w energię mechaniczną ruchu obrotowego wału napędowego.
Maszyny proste nie mogą dokonywać konwer­sji energii z jednej formy w drugą. Energię wykorzystuje się tu pod postacią pracy, którą wykonuje przyłożona do ramienia siła. Siła ta dzięki maszy­nie ma pokonać tzw. obciążenie. Na przykład gdy ściskamy dziadka do orzechów, działamy na ręko­jeść siłą. Jest ona przekazywana przez dziadka na orzech stanowiący obciążenie. Siła naszych rąk jest wzmacniana tak, by zgnieść orzech, którego nie można rozłupać gołymi rękami. Opisywany dziadek do orzechów jest przykładem dźwigni. Inne maszyny proste to równia pochyła, bloczek, klin, kołowrót, śruba.

Przełożenie maszyny
Siła, z jaką dziadek do orzechów działa na orzech stanowiący obciążenie, jest większa od siły, z jaką ściskamy jego rękojeści. Dziadek do orzechów działa na zasadzie tak zwanego przełożenia mecha­nicznego. Jest ono równe stosunkowi obciążenia do przykładanej siły. Przykładowo jeśli do rękoje­ści dziadka przykładamy siłę 200 N (niutonów), a on działa na orzech z siłą 1000 N, to przełożenie mechaniczne wynosi 5.
Pomimo że dźwignia zwiększa siłę z jaką dzia­łamy na orzech, to praca, jaką musimy wykonać w celu jego zgniecenia nie ulega zmianie - maszy­na prosta nie może wytworzyć żadnej dodatkowej energii. Co więcej, używając dźwigni-dziadka w celu zgniecenia orzecha, musimy włożyć pewien nadmiar energii. Dzieje się tak, gdyż dźwignia, jak każda inna maszyna, sama zużywa część energii.
Znaczna większość wydatkowanej energii jest zu­żywana na zgniecenie orzecha, lecz część musi pokonać siły oporu.

Sprawność
Powyższe zagadnienie ściśle wiali się z tzw. sprawnością maszyny. Im większa część energii dostarczanej maszynie służy wykonaniu efektyw­nej pracy, tymi sprawność urządzenia jest większa. Sprawność mierzy się w procentach, dzieląc efek­tywną pracę wykonaną przez maszynę przez dostar­czoną jej energię, a następnie mnożąc uzyskaną liczbę przez 100%. Przykładowo, jeśli z dostar­czonych urządzeniu 50 dżuli (J) potrafi ono wyko­nać pracę 45 dżuli, to jego sprawność wynosi 90%. Reszta, czyli 5 dżuli, zostaje zużyta na przeciw­działanie siłom oporu w urządzeniu. Siły te powo­dują (w tym wypadku) dziesięcioprocentowy spa­dek sprawności maszyny.
Gdy energia jest zużywana w celu przeciwdzia­łania siłom oporu, to jej część zamienia się w cie­pło. W urządzeniach pracujących w sposób ciągły wydzielane wskutek tarcia ciepło może spowo­dować rozgrzanie elementów do wysokiej tempe­ratury. To może być przyczyną uszkodzeń ele­mentów i znacznie podnieść koszty amortyzacji. Dlatego dąży się do zredukowania sił tarcia pomię­dzy współpracującymi elementami. Części te są dokładnie obrabiane, a ponadto stykające się ele­menty są pokrywane warstewką oleju bądź smaru.

Siła i praca
Może wydać się dziwnym, że maszyny proste mogą znacznie nawet zwiększyć siłę przykładaną do danego obiektu, podczas gdy jednocześnie tracona jest pewna część energii.
Aby zrozumieć zasadę działania maszyn pro­stych, niezbędne będzie poznanie pojęcia pracy. Otóż praca jest iloczynem siły i drogi, na której działamy tą siłą. Jeśli z siłą 1000 N przesuwamy szafę na odległość 2 metrów, to wykonujemy pracę 2000 J. Praca wykonywana przy użyciu maszyny prostej, stanowi iloczyn siły, z jaką działamy i od­ległości, jaką pokonujemy. Natomiast praca wyko­nywana przez maszynę jest iloczynem obciążenia i drogi, na której to obciążenie działa. Gdy ściska­my rękojeści dziadka do orzechów, to przesuwa­my je znacznie bardziej, niż przesuwają się szczę­ki zgniatające orzech. Pomińmy na razie tarcie. Jeśli do zgniecenia orzecha potrzeba działać z siłą 1000 J na dystansie 2 milimetrów (0,002 m), to za pomocą dziadka możemy działać z siłą zaledwie 200 N, lecz na odległości 1 cm (0,01 m). W obu wypadkach iloczyn sity i odległości, czyli praca wynosi 2 J (dżule). Pomijając tarcie, sprawność urządzenia wynosi (2J/2J)xl00% = 100%, co ozna­cza, że ów wyimaginowany dziadek do orzechów
działałby bez strat energii. W rzeczywistości jed­nak nie ma maszyn o stuprocentowej sprawności.

Stosunek prędkości
Droga, na jakiej działa przyłożona siła podzielona przez drogę, na której działa obciążenie jest nazywana stosunkiem prędkości maszyny prostej (pręd­kość jest równa ilorazowi odległości i czasu, tak więc stosunek odległości jest w tym wypadku równy stosunkowi prędkości, gdyż obie odległo­ści pokonywane są w tym samym czasie). Jeśli pominiemy straty energii okaże się, że maszyna pięciokrotnie wzmacniająca siłę jednocześnie pię­ciokrotnie skraca drogę, na której działa. W takim wyidealizowanym wypadku stosunek prędkości równy byłby przełożeniu mechanicznemu. Jednak wskutek strat energii przełożenie mechaniczne jest zawsze mniejsze od stosunku prędkości. Stosunek przełożenia mechanicznego do stosunku prędko­ści pomnożony przez 100 procent jest równy sprawności maszyny.

Podobne prace

Do góry