NộI Dung
- Lợi thế cơ khí
- Định luật bảo toàn năng lượng
- Ròng rọc vi sai
- Định luật thứ hai của Newton
- Thêm khối treo
Một số tình huống thú vị có thể được thiết lập với ròng rọc để kiểm tra sự hiểu biết của học sinh về định luật chuyển động thứ hai của Newton, định luật bảo toàn năng lượng và định nghĩa công việc trong vật lý. Một tình huống đặc biệt có thể được tìm thấy từ cái được gọi là ròng rọc vi sai, một công cụ phổ biến được sử dụng trong các cửa hàng cơ khí để nâng vật nặng.
Lợi thế cơ khí
Như với một đòn bẩy, tăng khoảng cách mà một lực được áp dụng, so với khoảng cách tải được nâng lên, tăng lợi thế cơ học hoặc đòn bẩy. Giả sử hai khối ròng rọc được sử dụng. Một gắn vào một tải; một đính kèm ở trên để hỗ trợ. Nếu tải được nâng lên đơn vị X, thì khối ròng rọc dưới cùng cũng phải tăng đơn vị X. Khối ròng rọc ở trên không di chuyển lên hoặc xuống. Do đó, khoảng cách giữa hai khối ròng rọc phải rút ngắn đơn vị X. Độ dài của đường được lặp giữa hai khối ròng rọc phải rút ngắn mỗi đơn vị X. Nếu có Y đường như vậy, thì trình kéo phải kéo các đơn vị X --- Y để nâng các đơn vị tải X. Vậy lực cần thiết bằng 1 / Y lần trọng lượng của tải. Lợi thế cơ học được cho là Y: 1.
Định luật bảo toàn năng lượng
Đòn bẩy này là kết quả của định luật bảo toàn năng lượng. Nhớ lại rằng công việc là một dạng năng lượng. Theo công việc, chúng tôi muốn nói đến định nghĩa vật lý: lực tác dụng lên khoảng cách thời gian tải mà tải được di chuyển bởi lực. Vì vậy, nếu tải là Z Newton, năng lượng cần thiết để nâng nó, đơn vị X phải bằng công việc được thực hiện bởi người kéo. Nói cách khác, Z --- X phải bằng (lực được áp dụng bởi puller) --- XY. Do đó, lực tác dụng của dụng cụ kéo là Z / Y.
Ròng rọc vi sai
Một phương trình thú vị xuất hiện khi bạn tạo một đường vòng liên tục và khối treo từ giá đỡ có hai ròng rọc, một cái nhỏ hơn một chút so với cái kia. Giả sử cũng có hai ròng rọc trong khối được gắn để chúng quay cùng nhau. Gọi bán kính của ròng rọc là "R" và "r", trong đó R> r.
Nếu người kéo kéo ra đủ dòng để xoay các ròng rọc cố định thông qua một vòng quay, anh ta đã kéo ra 2πR của dòng. Ròng rọc lớn hơn sau đó đã chiếm 2πR dòng từ việc hỗ trợ tải. Ròng rọc nhỏ hơn đã quay theo cùng một hướng, cho ra 2πr đường thẳng đến tải. Vì vậy, tải tăng 2πR-2πr. Lợi thế cơ học là khoảng cách được kéo chia cho khoảng cách được nâng lên, hoặc 2πR / (2πR-2πr) = R / (R-r). Lưu ý rằng nếu bán kính chỉ khác nhau 2 phần trăm, lợi thế cơ học là một con số khổng lồ 50 đến 1.
Ròng rọc như vậy được gọi là ròng rọc vi sai. Nó là một vật cố phổ biến trong các cửa hàng sửa chữa xe hơi. Nó có một đặc tính thú vị là đường mà người kéo kéo có thể bị lỏng trong khi tải được giữ ở trên cao, bởi vì luôn có ma sát đủ để các lực đối lập trên hai ròng rọc ngăn không cho nó quay.
Định luật thứ hai của Newton
Giả sử hai khối được kết nối và một, gọi nó là M1, treo ròng rọc. Họ sẽ tăng tốc nhanh như thế nào? Định luật thứ hai của Newton liên quan đến lực và gia tốc: F = ma. Khối lượng của hai khối được biết đến (M1 + M2). Tăng tốc là không rõ. Lực được biết đến từ lực hấp dẫn lên M1: F = ma = M1 --- g, trong đó g là gia tốc trọng trường ở bề mặt Trái Đất.
Hãy nhớ rằng M1 và M2 sẽ được tăng tốc cùng nhau. Tìm gia tốc của chúng, a, giờ chỉ là vấn đề thay thế vào công thức F = ma: M1 --- g = (M1 + M2) a. Tất nhiên, nếu ma sát giữa M2 và bảng là một trong những lực mà F = M1 --- g phải phản đối, thì lực đó cũng dễ dàng được thêm vào phía bên phải của phương trình, trước khi tăng tốc, a, là giải quyết cho.
Thêm khối treo
Nếu cả hai khối được treo thì sao? Sau đó, phía bên trái của phương trình có hai phần phụ thay vì chỉ một. Cái nhẹ hơn sẽ đi theo hướng ngược lại của lực tổng hợp, vì khối lượng lớn hơn xác định hướng của hệ hai khối; do đó, lực hấp dẫn trên khối lượng nhỏ hơn nên được trừ đi. Giả sử M2> M1. Sau đó, phía bên trái phía trên thay đổi từ M1 --- g sang M2 --- g-M1 --- g. Tay phải giữ nguyên: (M1 + M2) a. Gia tốc, a, sau đó được giải quyết một cách tầm thường.