Cara Tuil Berfungsi: Titik Tumpu, Tork dan Kelebihan Mekanik

Tuil terdiri daripada apa

Setiap tuil mempunyai tiga bahagian yang sama:

• titik tumpu, titik tetap tempat palang berpusing,
• daya, tolakan atau tarikan yang kamu kenakan, dan
• beban, benda yang kamu mahu gerakkan atau tahan.

Jarak dari titik tumpu ke tempat daya bertindak ialah lengan daya. Jarak dari titik tumpu ke beban ialah lengan beban. Hampir semua perkara tentang cara tuil berfungsi bergantung pada perbandingan antara dua panjang ini.

Tuil tidak menghasilkan tenaga. Tuil membolehkan kamu menggunakan kerja yang sama dengan daya dan jarak yang berbeza. Sebab itu tuil terasa lebih mudah atau lebih laju, tetapi tidak kedua-duanya sekali.

Tork dan peraturan keseimbangan

Semakin jauh dari pangsi tempat daya bertindak, semakin berkesan daya itu memutarkan palang. Kesan putaran itu dipanggil tork, dan bagi daya yang bersudut tepat dengan palang, ia ialah

torque = force × arm length

Tuil berada dalam keadaan seimbang apabila tork yang cuba memutarkannya ke satu arah sama dengan tork yang cuba memutarkannya ke arah bertentangan:

effort × effort arm = load × load arm

Mari lihat contoh ringkas dengan nombor rekaan. Beban seberat 600 g berada 15 cm dari titik tumpu. Untuk mengimbanginya dengan daya yang dikenakan 30 cm dari titik tumpu di sebelah yang satu lagi, daya itu hanya perlu separuh daripada beban kerana lengannya dua kali lebih panjang. Jika kamu mengenakan tolakan yang lebih kuat lebih dekat ke titik tumpu, kamu juga boleh mengimbangi beban yang sama.

Jika disusun semula, kita mendapat kelebihan mekanik, iaitu nisbah beban kepada daya:

MA = effort arm ÷ load arm

Jika lengan daya tiga kali lebih panjang daripada lengan beban, kamu boleh mengangkat beban kira-kira tiga kali ganda daya tolakan kamu.

Tiada sesuatu yang percuma

Kelebihan mekanik yang lebih daripada 1 kedengaran seperti satu tawaran yang bagus, tetapi ada harganya. Untuk mengangkat beban sejauh jarak yang kecil, hujung kamu perlu bergerak sejauh jarak yang jauh lebih besar. Gerakkan titik tumpu lebih dekat kepada beban dan kamu memerlukan daya yang lebih kecil, tetapi kamu perlu menolak hujung kamu melalui lengkok yang lebih panjang.

Itulah peraturan emas mesin: daya yang kurang sentiasa bermaksud jarak yang lebih jauh. Dalam tuil yang ideal, daya didarab dengan jarak adalah sama pada kedua-dua hujung, jadi kerja yang kamu masukkan sama dengan kerja yang kamu peroleh. Tuil sebenar kehilangan sedikit tenaga akibat geseran dan lenturan, tetapi tidak boleh melepasi had itu.

Menggelongsorkan titik tumpu juga merupakan cara untuk memilih antara kekuatan dan kelajuan. Lengan daya yang pendek menghasilkan pergerakan yang besar pada hujung beban apabila tangan kamu bergerak sedikit. Ini berguna apabila laju atau jarak capaian lebih penting daripada daya.

Tiga kelas tuil

Tuil dikelaskan berdasarkan perkara yang berada di tengah.

Kelas pertama: titik tumpu di tengah

Daya usaha dan beban berada di sisi bertentangan paksi. Buaian jongkang-jongket, gunting dan pengungkit ialah contohnya. Oleh sebab anda boleh menggelongsorkan titik tumpu ke mana-mana antara kedua-dua hujung, kelebihan mekanik boleh lebih daripada 1, sama dengan 1 atau kurang daripada 1.

Kelas kedua: beban di tengah

Beban berada di antara titik tumpu dengan daya usaha, jadi lengan daya usaha sentiasa lebih panjang. Kereta sorong dan pembuka botol berfungsi dengan cara ini, dan kedua-duanya sentiasa menggandakan daya anda.

Kelas ketiga: daya usaha di tengah

Daya usaha dikenakan antara titik tumpu dengan beban. Kelebihan mekanik kurang daripada 1, jadi anda menolak dengan lebih kuat daripada berat beban. Kelebihannya ialah hujung beban bergerak lebih jauh dan lebih laju. Penyepit, joran dan lengan manusia semuanya ialah tuil kelas ketiga: otot anda melekat dekat dengan siku, lalu menghasilkan hayunan tangan yang besar dan pantas.

Kesilapan biasa

• Measuring from the wrong place. Arms are measured from the fulcrum, not from the end of the bar.
• Thinking longer always wins. A long effort arm helps force, but only if the load arm stays short. It is the ratio that counts.
• Forgetting the angle. The balance rule above assumes the force is at right angles to the bar. A push at a slant has a smaller turning effect.
• Believing third-class levers are bad. They give up force on purpose to gain speed and range, which is just what a baseball bat or your arm needs.

Cara menerokainya di makmal

Makmal Mesin Ringkas membolehkan anda memutar tuil sebenar dan merasai kesan menggerakkan paksi. Urutan yang baik untuk melalui dunia pertama yang percuma:

1. Mulakan dengan Apakah Tuil? untuk mengenali bahagian-bahagiannya.
2. Gelongsorkan paksi dalam Titik Tumpu dan lihat bagaimana daya bertukar dengan jarak.
3. Bandingkan tiga kelas: Tuil Kelas Pertama, Tuil Kelas Kedua dan Tuil Kelas Ketiga.
4. Gunakan nombor dalam Aksi Keseimbangan.

Makmal ini ialah model ringkas dengan batang tegar tanpa berat dan tanpa geseran, jadi nombornya mudah dikira. Alat sebenar boleh melentur, haus dan kehilangan sedikit tenaga, tetapi peraturan keseimbangan masih menerangkannya dengan baik.