Клин — это инструмент треугольной формы , переносная наклонная плоскость и один из шести простых механизмов . Его можно использовать для разделения двух объектов или частей объекта, подъема объекта или удержания объекта на месте. Он функционирует, преобразуя силу, приложенную к его тупому концу, в силы, перпендикулярные ( нормальные ) к его наклонным поверхностям. Механическое преимущество клина определяется отношением длины его наклона к его ширине. [1] [2] Хотя короткий клин с широким углом может выполнять работу быстрее, он требует больше силы, чем длинный клин с узким углом.
Сила прикладывается к плоской, широкой поверхности. Эта энергия переносится на заостренный, острый конец клина, следовательно, сила переносится.
Клин просто переносит энергию в виде трения и собирает ее на остром конце, в результате чего предмет ломается.
Клинья существуют уже тысячи лет. Сначала они были сделаны из простого камня. Возможно, первым примером клина является ручной топор (см. также Olorgesailie ), который изготавливается путем скалывания камня, как правило, кремня , для формирования двустороннего лезвия или клина. Клин — это простая машина, которая преобразует боковую силу и движение инструмента в поперечную силу раскалывания и движение заготовки. Доступная мощность ограничена усилием человека, использующего инструмент, но поскольку мощность является произведением силы и движения, клин усиливает силу, уменьшая движение. Это усиление или механическое преимущество представляет собой отношение входной скорости к выходной скорости. Для клина это определяется как 1/tanα, где α — угол наклона. Грани клина моделируются как прямые линии, образуя скользящее или призматическое соединение .
Происхождение клина неизвестно. В древнеегипетских каменоломнях бронзовые клинья использовались для откалывания каменных блоков, используемых в строительстве. Также использовались деревянные клинья, которые разбухали после насыщения водой. Некоторые коренные народы Америки использовали клинья из рогов оленя для раскалывания и обработки древесины для изготовления каноэ , жилищ и других предметов.
Клинья используются для подъема тяжелых предметов, отделяя их от поверхности, на которой они покоятся. [3]
Рассмотрим блок, который нужно поднять с помощью клина. Когда клин скользит под блоком, блок скользит вверх по наклонной стороне клина. Это поднимает вес F B блока. Горизонтальная сила F A , необходимая для подъема блока, получается путем рассмотрения скорости клина v A и скорости блока v B . Если предположить, что клин не рассеивает и не накапливает энергию, то мощность, входящая в клин, равна выходной мощности.
Или
Скорость блока связана со скоростью клина наклоном стороны клина. Если угол клина равен α , то
что означает, что механическое преимущество
Таким образом, чем меньше угол α, тем больше отношение подъемной силы к приложенной силе на клине. Это механическое преимущество клина. Эта формула механического преимущества применима к режущим кромкам и операциям по раскалыванию, а также к подъему.
Их также можно использовать для разделения предметов, например, блоков тесаного камня. Колуны и клинья используются для раскалывания древесины вдоль волокон.
Узкий клин с относительно длинным конусом , используемый для точной регулировки расстояния между объектами, называется клином и обычно применяется при регулировке станков.
Кончики вилок и гвоздей также являются клиньями, поскольку они раскалывают и разделяют материал, в который их вдавливают или вбивают; затем стержни могут прочно удерживаться за счет трения.
Лезвие представляет собой составную наклонную плоскость, состоящую из двух наклонных плоскостей, расположенных таким образом, что плоскости встречаются на одном краю. Когда край, где встречаются две плоскости, вдавливается в твердое или жидкое вещество, оно преодолевает сопротивление материалов разделению, преобразуя силу , приложенную к материалу, в две противоположные силы, нормальные к граням лезвия.
Первое известное применение лезвия человеком было острым краем кремневого камня, который использовался для раскалывания или расщепления тканей животных, например, для резки мяса. Использование железа или других металлов привело к разработке ножей для таких задач. Лезвие ножа позволяло людям резать мясо, волокна и другие растительные и животные материалы с гораздо меньшей силой, чем потребовалось бы, чтобы разорвать их, просто потянув руками. Другими примерами являются плуги , которые разделяют частицы почвы, ножницы , которые разделяют ткань, топоры , которые разделяют волокна древесины, а также долота и рубанки , которые разделяют древесину.
Клинья, пилы и зубила могут разделять толстые и твердые материалы, такие как дерево, твердый камень и твердые металлы, и они делают это с гораздо меньшими усилиями, потерями материала и с большей точностью, чем дробление , которое представляет собой приложение той же силы к более широкой области разделяемого материала.
Другие примеры клиньев можно найти в сверлах , которые создают круглые отверстия в твердых телах. Два края сверла заточены под противоположными углами в точку, и этот край намотан на вал сверла. Когда сверло вращается вокруг своей оси вращения, клинья вдавливаются в материал, который нужно отделить. Резьба в материале происходит в направлении вращения сверла, в то время как спиральная форма сверла позволяет удалять вырезанный материал.
Клинья также могут использоваться для удержания предметов на месте, таких как детали двигателя ( тарельчатые клапаны ), детали велосипеда ( штоки и эксцентриковые каретки ) и двери . Дверной упор клинового типа (дверной клин) функционирует в основном за счет трения, возникающего между нижней частью двери и клином, а также между клином и полом (или другой поверхностью).
Механическое преимущество или МА клина можно рассчитать, разделив высоту клина на его ширину: [1]
Чем острее или уже угол клина, тем больше отношение длины его ската к его ширине и, таким образом, тем большее механическое преимущество он даст. [2]
Клин застрянет, когда угол клина, заключенный в клин, меньше арктангенса коэффициента трения между клином и материалом. Поэтому в эластичном материале, таком как дерево, трение может застрять узкий клин легче, чем широкий. Вот почему головка колуна имеет гораздо больший угол, чем у топора.
