Tangu nyakati za kale, wanadamu wametafuta kwa njia yoyote kurahisisha kazi yao ya kimwili. Taratibu rahisi zimekuwa njia ya kutatua shida hii. Makala haya yanajadili uvumbuzi kama vile lever na block, pamoja na mfumo wa levers na vitalu.
Msaada ni nini na ulitumika lini?
Pengine kila mtu amefahamu utaratibu huu rahisi tangu utotoni. Katika fizikia, lever ni mchanganyiko wa boriti (fimbo, bodi) na msaada mmoja. Hutumika kama kiwiko cha kunyanyua uzani au cha kuwasilisha kasi kwa miili. Kulingana na nafasi ya msaada chini ya boriti, lever inaweza kusababisha faida ama kwa nguvu au katika harakati za mizigo. Inapaswa kuwa alisema kuwa lever haiongoi kupunguzwa kwa kazi kama kiasi cha kimwili, inakuwezesha tu kugawanya utekelezaji wake kwa njia rahisi.
Mwanadamu amekuwa akitumia uwezo kwa muda mrefu. Kwa hiyo, kuna ushahidi kwamba ilitumiwa na Wamisri wa kale katika ujenzi wa piramidi. Maelezo ya kwanza ya hisabati ya athari ya lever yalianza karne ya 3 KK na ni ya Archimedes. Maelezo ya kisasa ya kanuni ya uendeshaji wa utaratibu huu unaohusishadhana ya wakati wa nguvu iliibuka tu katika karne ya 17, wakati wa kuundwa kwa mechanics ya classical ya Newton.
Sheria ya lever
Lever inafanya kazi vipi? Jibu la swali hili liko katika dhana ya wakati wa nguvu. Mwisho huitwa thamani kama hiyo, ambayo hupatikana kama matokeo ya kuzidisha mkono wa nguvu kwa moduli yake, ambayo ni:
M=Fd
Mkono wa nguvu d ni umbali kutoka kwenye fulcrum hadi mahali pa kuweka nguvu F.
Leva inapofanya kazi yake, kuna nguvu tatu tofauti zinazoishughulikia:
- nguvu ya nje inayotumika, kwa mfano, na mtu;
- uzito wa mzigo ambao mtu anataka kuusogeza kwa lever;
- mwitikio wa usaidizi unaofanya kazi kutoka upande wa kiunga hadi kwenye boriti ya lever.
Mwitikio wa kiunga husawazisha nguvu zingine mbili, kwa hivyo kiwiko kisisogee mbele angani. Ili isifanye pia mwendo wa mzunguko, ni muhimu kwamba jumla ya wakati wote wa nguvu iwe sawa na sifuri. Wakati wa nguvu hupimwa kila wakati kuhusiana na mhimili fulani. Katika kesi hii, mhimili huu ni fulcrum. Kwa uchaguzi huu wa mhimili, bega ya hatua ya nguvu ya majibu ya msaada itakuwa sawa na sifuri, yaani, nguvu hii inajenga wakati wa sifuri. Takwimu hapa chini inaonyesha lever ya kawaida ya aina ya kwanza. Mishale huashiria nguvu ya nje F na uzani wa mzigo R.
Andika jumla ya matukio ya nguvu hizi, tunayo:
RdR+ (-FdF)=0
Sawa hadi sifuri ya jumla ya matukio huhakikisha kutokuwepo kwa mzunguko wa mikono ya lever. Muda mfupiforce F inachukuliwa kwa ishara hasi kwa sababu nguvu hii ina mwelekeo wa kugeuza lever kisaa, huku nguvu R inaelekea kufanya zamu hii kinyume cha saa.
Kuandika upya usemi huu katika fomu zifuatazo, tunapata masharti ya usawa ya lever:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Tumepata usawa ulioandikwa kwa kutumia dhana ya wakati wa nguvu. Katika karne ya III KK. e. Wanafalsafa wa Uigiriki hawakujua kuhusu dhana hii ya kimwili, hata hivyo, Archimedes alianzisha uhusiano wa kinyume kati ya uwiano wa nguvu zinazofanya kazi kwenye mikono ya lever na urefu wa mikono hii kama matokeo ya uchunguzi wa majaribio.
Sawa zilizorekodiwa zinaonyesha kuwa kupungua kwa urefu wa mkono dR kunachangia kuibuka kwa uwezekano wa kuinua uzito mkubwa kwa msaada wa nguvu ndogo F na a. mkono mrefu dF R shehena.
Blafa katika fizikia ni nini?
Block ni utaratibu mwingine rahisi, ambao ni silinda ya duara yenye kijito kando ya mzunguko wa uso wa silinda. Mfereji hutumikia kuimarisha kamba au mnyororo. Kizuizi kina mhimili wa kuzunguka. Kielelezo kinaonyesha mfano wa kizuizi kinachoonyesha jinsi kinavyofanya kazi.
Kizuizi hiki kinaitwa fasta. Haitoi faida kwa nguvu, lakini hukuruhusu kubadilisha mwelekeo wake.
Kando na kizuizi kisichobadilika, kuna kizuizi kinachosonga. Mfumo wa kuzuia unaohamishika na usiobadilika umeonyeshwa hapa chini.
Iwapo kanuni ya muda itatumika kwenye mfumo huu, basi tutapatafaida kwa nguvu ni mara mbili, lakini wakati huo huo tunapoteza kiasi sawa njiani (katika takwimu F=60 N).
Mfumo wa levers na vitalu
Kama ilivyotajwa katika aya zilizotangulia, nyongeza inaweza kutumika kupata njia au nguvu, huku block hukuruhusu kupata nguvu na kubadilisha mwelekeo wa kitendo chake. Tabia hizi za taratibu zinazozingatiwa rahisi hutumiwa katika mifumo ya levers na vitalu. Katika mifumo hii, kila kipengele huchukua nguvu fulani na kuihamisha hadi kwa vipengele vingine ili tupate nguvu asili kama matokeo.
Urahisi wa utendakazi wa lever na kizuizi na unyumbulifu wa matumizi yao ya kimuundo huwezesha kutunga mifumo changamano kutoka kwa mchanganyiko kama huu.
Mifano ya kutumia mifumo ya mitambo rahisi
Kwa hakika, mashine zozote zinazotuzingira ni mifumo ya levers na vizuizi. Hapa kuna mifano maarufu zaidi:
- chapa chapa;
- piano;
- crane;
- kukunja kiunzi;
- vitanda na meza zinazoweza kurekebishwa;
- seti ya mifupa ya binadamu, viungo na misuli.
Ikiwa nguvu ya kuingiza data katika kila moja ya mifumo hii inajulikana, basi nguvu ya kutoa inaweza kuhesabiwa kwa kutumia kanuni ya leva kwa kila kipengele cha mfumo kwa mfululizo.
