Kaldıraçlar Nasıl Çalışır: Dayanak Noktası, Tork ve Kuvvet Kazancı

Bir kaldıraç nelerden oluşur

Her kaldıraçta aynı üç bölüm bulunur:

• çubuğun etrafında döndüğü sabit nokta olan destek noktası,
• uyguladığın itme veya çekme olan uygulanan kuvvet ve
• hareket ettirmek ya da karşı koymak istediğin şey olan yük.

Destek noktasından kuvvetin uygulandığı yere kadar olan uzaklık kuvvet koludur. Destek noktasından yüke kadar olan uzaklık ise yük koludur. Bir kaldıracın nasıl davranacağıyla ilgili neredeyse her şey, bu iki uzunluğun karşılaştırılmasına bağlıdır.

Bir kaldıraç enerji oluşturmaz. Aynı işi farklı bir kuvvet ve uzaklık boyunca yaymanı sağlar. Bu nedenle iş daha kolay ya da daha hızlı yapılır; ancak ikisi aynı anda olmaz.

Tork ve denge kuralı

Bir kuvvet, dönme noktasından ne kadar uzakta etkirse çubuğu o kadar etkili döndürür. Bu döndürme etkisine tork denir ve çubuğa dik açıda uygulanan bir kuvvet için

torque = force × arm length

Bir kaldıraç, onu bir yöne döndürmeye çalışan tork diğer yöne döndürmeye çalışan torka eşit olduğunda dengede kalır:

effort × effort arm = load × load arm

İşte uydurma sayılarla kısa bir örnek. 600 g'lık bir yük, dayanak noktasından 15 cm uzakta duruyor. Yükü diğer tarafta 30 cm uzaklıktaki bir kuvvetle dengelersen kuvvetin yükün yalnızca yarısı kadar olması yeterlidir; çünkü kol iki kat daha uzundur. Daha ağır bir itme kuvvetini dayanak noktasına daha yakın uygularsan aynı yükü yine dengeleyebilirsin.

Yeniden düzenlediğimizde yükün kuvvete oranı olan kuvvet kazancını elde ederiz:

MA = effort arm ÷ load arm

Kuvvet kolu yük kolunun üç katıysa, uyguladığın kuvvetin yaklaşık üç katı büyüklüğündeki bir yükü kaldırabilirsin.

Bedava öğle yemeği diye bir şey yoktur.

1'in üzerindeki bir kuvvet kazancı kulağa iyi bir pazarlık gibi gelir, ama bunun bir bedeli vardır. Yükü küçük bir uzaklıkta kaldırmak için senin uygulama noktan çok daha büyük bir uzaklıkta hareket etmelidir. Desteği yüke yaklaştırırsan daha az kuvvete ihtiyaç duyarsın, ama kendi tarafını daha uzun bir yay boyunca itmen gerekir.

Makinelerin altın kuralı şudur: daha az kuvvet her zaman daha fazla uzaklık demektir. İdeal bir kaldıraçta kuvvet ile uzaklığın çarpımı her iki tarafta da aynıdır; yani yaptığın iş, elde ettiğin işe eşittir. Gerçek kaldıraçlar sürtünme ve esneme nedeniyle biraz kayıp yaşar, ama bu limiti aşamaz.

Desteği kaydırmak, dayanım ile sürat arasında seçim yapmanın da bir yoludur. Kısa bir kuvvet kolu, elinin küçük bir hareketiyle yük tarafında büyük bir hareket oluşması anlamına gelir. Bu, kuvvetten çok süratin veya erişimin önemli olduğu durumlarda işe yarar.

Kaldıraçların üç sınıfı

Kaldıraçlar, ortasında ne olduğuna göre sınıflandırılır.

Birinci sınıf: ortada destek

Kuvvet ve yük, dönme noktasının karşılıklı iki tarafındadır. Tahterevalliler, makaslar ve levye kolları buna örnektir. Desteği iki uç arasında istediğin yere kaydırabildiğin için kuvvet kazancı 1'in üzerinde, 1'e eşit veya 1'in altında olabilir.

İkinci sınıf: ortada yük

Yük, destek ile kuvvetin uygulandığı noktanın arasında bulunur; bu yüzden kuvvet kolu her zaman daha uzundur. El arabası ve şişe açacağı bu şekilde çalışır ve kuvvetini her zaman artırır.

Üçüncü sınıf: ortada kuvvet

Kuvvet, destek ile yükün arasındaki noktaya uygulanır. Kuvvet kazancı 1'in altındadır; bu yüzden yükün ağırlığından daha büyük bir kuvvet uygulaman gerekir. Bunun karşılığında yük tarafı daha uzağa ve daha hızlı hareket eder. Cımbızlar, oltalar ve insan ön kolu üçüncü sınıf kaldıraçlardır: Kasın dirseğe yakın bir yere bağlanması, elde büyük ve hızlı bir salınım sağlar.

Yaygın hatalar

• 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.

Bunu laboratuvarda nasıl inceleyebilirsiniz?

Basit Makineler laboratuvarında gerçek kaldıraçları çalıştırabilir ve dönme noktasını hareket ettirmenin etkisini hissedebilirsin. Ücretsiz ilk dünyada ilerlemek için iyi bir sıra:

1. Parçaları tanımak için Kaldıraç Nedir? ile başla.
2. Dayanak Noktası bölümünde dönme noktasını kaydır ve kuvvet ile uzaklık arasındaki değiş tokuşu izle.
3. Üç sınıfı karşılaştır: Birinci Sınıf Kaldıraçlar, İkinci Sınıf Kaldıraçlar ve Üçüncü Sınıf Kaldıraçlar.
4. Denge Oyunu bölümünde konuya sayıları ekle.

Laboratuvar; esnemeyen, ağırlıksız çubuklar ve sürtünme olmayan basitleştirilmiş bir model kullanır. Bu yüzden sayılar kolayca hesaplanır. Gerçek araçlar esner, aşınır ve biraz enerji kaybeder, ancak denge kuralı onları yine de iyi açıklar.