⚙️ Maszyny Proste — Dźwignie, Bloki i Równie Pochyłe

Pozwala przełączać się między trzema maszynami prostymi — dźwignią, systemem bloków linowych i równią pochyłą — i zobaczyć żywy schemat każdej z nich ze strzałkami siły dla siły wejściowej, którą musisz przyłożyć, i siły wyjściowej (ciężar obciążenia). W miarę zmiany długości ramion, liczby odcinków liny lub kąta równi panel telemetrii aktualizuje przełożenie mechaniczne, wymaganą siłę wejściową, odległości wejściowe i wyjściowe oraz potwierdza, że idealna praca wejściowa równa się pracy wyjściowej.

Wszystkie dźwignie obracają się wokół podpory, ale rozmieszczenie podpory, siły i obciążenia się różni. Klasa 1 ma podporę między siłą a obciążeniem, jak łom, huśtawka czy nożyczki. Klasa 2 ma obciążenie między podporą a siłą, jak taczka czy otwieracz do butelek, co zawsze daje przełożenie mechaniczne większe niż jeden. Klasa 3 ma siłę między podporą a obciążeniem, jak pęseta, wędka czy własne przedramię podnoszące ciężar — przełożenie mechaniczne jest mniejsze niż jeden, ale zyskujesz prędkość i zasięg po stronie obciążenia.

Każdy podtrzymujący odcinek liny niesie równą część ciężaru obciążenia, więc N odcinków niesie każdy W/N obciążenia, co oznacza, że wystarczy ciągnąć z siłą W/N. Ale ta sama lina musi zostać wciągnięta przez każdy z tych N odcinków, aby podnieść obciążenie o daną wysokość, więc wciągasz N razy więcej liny, niż obciążenie faktycznie się podnosi. To dokładnie kompromis zachowania pracy: siła podzielona przez N, odległość pomnożona przez N.

Tylko składowa ciężaru obciążenia działająca wzdłuż zbocza, W·sin(θ), musi zostać pokonana, aby popchnąć obciążenie w górę beztarciowej równi — resztę niesie siła normalna równi. Łagodniejsza równia (mniejsze θ) zmniejsza tę składową, więc pchasz z mniejszą siłą, ale musisz przebyć całą długość równi L = h/sin(θ), aby osiągnąć tę samą wysokość h, co jest dłuższe niż samo h. Mniej siły, więcej odległości, ta sama praca całkowita.

W trybie dźwigni przyciski klasy przestawiają podporę, siłę i obciążenie wzdłuż belki, a suwaki długości ramion ustawiają ramię siły a i ramię obciążenia b. W trybie bloku suwak liczby odcinków liny ustawia, ile pasm liny podtrzymuje ruchomy blok, od 1 do 6. W trybie równi pochyłej suwak kąta ustawia nachylenie od 5° do 80° przy stałej wysokości 2 m. Suwak ciężaru obciążenia i suwak przemieszczenia wyjściowego dotyczą każdego trybu, ponieważ definiują zadanie, jakie maszyna musi wykonać.

Idealna maszyna nie traci żadnej pracy wejściowej na tarcie, ciepło czy odkształcenie, więc cała włożona praca wychodzi jako praca użyteczna: sprawność = 100%. Prawdziwe maszyny zawsze są gorsze — łożyska, lina i powierzchnie równi generują tarcie, więc część pracy wejściowej marnuje się jako ciepło, a rzeczywista sprawność jest zawsze poniżej 100%. Oznacza to, że prawdziwa maszyna potrzebuje nieco większej siły wejściowej niż przewiduje ta idealna symulacja, aby przesunąć to samo obciążenie na tę samą odległość.

Przełożenie mechaniczne poniżej jedności oznacza, że musisz przyłożyć większą siłę niż waży obciążenie, co brzmi jak zła wymiana — ale zyskiem jest prędkość i odległość po stronie obciążenia. Ponieważ d_we/d_wy = MA < 1, koniec obciążenia porusza się dalej i szybciej niż koniec siły przy tym samym ruchu siły. Dokładnie tego potrzeba w pęsetach podnoszących coś delikatnego, wędce zarzucającej przynętę daleko, czy przedramieniu wymachującym młotkiem.

Dla dowolnie wybranego przemieszczenia wyjściowego d_wy symulator oblicza odpowiadające mu przemieszczenie wejściowe d_we = MA × d_wy, a następnie mnoży każdą odległość przez odpowiadającą jej siłę: praca wejściowa = F_we × d_we, praca wyjściowa = F_wy × d_wy. Ponieważ F_we = F_wy/MA, a d_we = MA × d_wy, te dwa iloczyny są zawsze matematycznie identyczne w przypadku bez tarcia, co panel telemetrii wyświetla obok siebie.

Dźwignie pojawiają się w łomach, nożyczkach, taczkach, otwieraczach do butelek, obcinaczkach do paznokci i pęsetach. Systemy bloków podnoszą żagle na łódkach żaglowych, wyciągają bloki silnika w garażu i podnoszą materiały na dźwigach budowlanych i windach. Równie pochyłe pojawiają się jako rampy załadunkowe dla ciężarówek, podjazdy dla wózków inwalidzkich, serpentynowe drogi górskie, a nawet rampy, których starożytni budowniczowie prawdopodobnie używali do podnoszenia ciężkich bloków kamiennych.