stringtranslate.com

Наклонная плоскость

Пандус для инвалидных колясок , отель Montescot, Шартр, Франция
Демонстрационный наклонный самолет, используемый в образовании, Музей Галилея , Флоренция.

Наклонная плоскость , также известная как рампа , представляет собой плоскую опорную поверхность, наклоненную под углом к ​​вертикальному направлению , причем один конец выше другого, используемую в качестве вспомогательного средства для подъема или опускания груза. [1] [2] [3] Наклонная плоскость — одна из шести классических простых машин , определенных учеными эпохи Возрождения. Наклонные плоскости используются для перемещения тяжелых грузов через вертикальные препятствия. Примеры варьируются от пандуса, используемого для погрузки товаров в грузовик, до человека, поднимающегося по пешеходному пандусу, до автомобиля или железнодорожного поезда, поднимающегося на уклон. [3]

Перемещение объекта вверх по наклонной плоскости требует меньше усилий , чем подъем его прямо вверх, но за счет увеличения пройденного расстояния. [4] Механическое преимущество наклонной плоскости, коэффициент уменьшения силы, равно отношению длины наклонной поверхности к высоте, которую она охватывает. Благодаря сохранению энергии для подъема данного предмета на данное вертикальное расстояние требуется одно и то же количество механической энергии ( работы ) , не считая потерь от трения , но наклонная плоскость позволяет совершить ту же работу с меньшей силой, приложенной над поверхностью. большее расстояние. [5] [6]

Угол трения , [7] также иногда называют углом естественного откоса , [8] — это максимальный угол, при котором груз может неподвижно лежать на наклонной плоскости из-за трения , не соскальзывая вниз. Этот угол равен арктангенсу коэффициента статического трения µs между поверхностями. [8]

Две другие простые машины часто считаются производными от наклонной плоскости. [9] Клин можно рассматривать как движущуюся наклонную плоскость или две наклонные плоскости , соединенные в основании. [5] Винт представляет собой узкую наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра . [5]

Этот термин может также относиться к конкретной реализации; прямой пандус, врезанный в крутой склон холма, для перевозки грузов вверх и вниз по холму. Сюда могут относиться автомобили, идущие по рельсам или подтянутые канатной системой; фуникулер или канатная дорога , например Джонстаунская наклонная плоскость .

Использование

Наклонные плоскости широко используются в виде погрузочных рамп для погрузки и разгрузки грузов на грузовые автомобили, корабли и самолеты. [3] Пандусы для инвалидных колясок используются для того, чтобы люди в инвалидных колясках могли преодолевать вертикальные препятствия, не превышая при этом своих сил. Эскалаторы и наклонные конвейерные ленты также представляют собой формы наклонной плоскости. [6] На фуникулере или канатной дороге вагон поднимают по крутой наклонной плоскости с помощью тросов. Наклонные самолеты также позволяют безопасно опускать тяжелые хрупкие объекты, включая людей, на вертикальное расстояние, используя нормальную силу самолета для уменьшения силы гравитации . Эвакуационные трапы для самолетов позволяют людям быстро и безопасно спуститься на землю с высоты пассажирского авиалайнера .

Другие наклонные плоскости встроены в постоянные конструкции. Дороги для транспортных средств и железные дороги имеют наклонные плоскости в виде пологих уклонов, пандусов и дамб, что позволяет транспортным средствам преодолевать вертикальные препятствия, такие как холмы, без потери сцепления с поверхностью дороги. [3] Аналогичным образом, пешеходные дорожки и тротуары имеют пологие пандусы, ограничивающие уклон и обеспечивающие пешеходам возможность сохранять сцепление с дорогой. [1] [4] Наклонные плоскости также используются в качестве развлечения, позволяющего людям контролируемо скатиться вниз, на игровых площадках , водных горках , лыжных склонах и в скейт-парках .


История

Наклонные плоскости использовались людьми с доисторических времен для перемещения тяжелых предметов. [14] [15] Наклонные дороги и дамбы , построенные древними цивилизациями, такими как римляне, являются примерами сохранившихся ранних наклонных плоскостей и показывают, что они понимали ценность этого устройства для перемещения предметов в гору. Считается , что тяжелые камни, используемые в древних каменных сооружениях, таких как Стоунхендж [16], были перемещены и установлены на месте с помощью наклонных плоскостей, сделанных из земли, [17] хотя трудно найти свидетельства существования таких временных пандусов. Египетские пирамиды были построены с использованием наклонных плоскостей, [18] [19] [20] Осадные рампы позволяли древним армиям преодолевать крепостные стены. Древние греки построили мощеную рампу Диолкос длиной 6 км (3,7 мили) , чтобы перетаскивать корабли по суше через Коринфский перешеек . [4]

Однако наклонная плоскость была последней из шести классических простых машин , признанных машиной. Вероятно, это связано с тем, что это пассивное и неподвижное устройство (грузом является движущаяся часть), [21] , а также с тем, что оно встречается в природе в виде склонов и холмов. Хотя они понимали его использование для подъема тяжелых предметов, древнегреческие философы , определившие остальные пять простых машин, не включали наклонную плоскость в число машин. [22] Эта точка зрения сохранялась среди нескольких более поздних ученых; еще в 1826 году Карл фон Лангсдорф писал, что наклонная плоскость « …не более машина, чем склон горы ». [21] Задача расчета силы, необходимой для поднятия груза по наклонной плоскости (его механическое преимущество), была предпринята греческими философами Героном Александрийским (ок. 10–60 н. э.) и Паппом Александрийским (ок. 290–350 н. э.). ), но их решения были неверными. [23] [24] [25]

Лишь в эпоху Возрождения наклонная плоскость была решена математически и отнесена к другим простым машинам. Первый правильный анализ наклонной плоскости появился в работе автора 13-го века Иордана де Немора [26] [27] , однако его решение, по-видимому, не было сообщено другим философам того времени. [24] Джироламо Кардано (1570) предложил неправильное решение, заключающееся в том, что входная сила пропорциональна углу плоскости. [10] Затем, в конце 16-го века, в течение десяти лет были опубликованы три правильных решения: Майкл Варро (1584 г.), Симон Стевин (1586 г.) и Галилео Галилей (1592 г.). [24] Хотя это и не первое изобретение, изобретение фламандского инженера Саймона Стевина [25] является наиболее известным из-за его оригинальности и использования нитки бус (см. рамку). [12] [26] В 1600 году итальянский ученый Галилео Галилей включил наклонную плоскость в свой анализ простых машин в книге «Механика » («О механике»), показав ее основное сходство с другими машинами в качестве усилителя силы. [28]

Первые элементарные правила трения скольжения по наклонной плоскости были открыты Леонардо да Винчи (1452-1519), но остались неопубликованными в его записных книжках. [29] Они были заново открыты Гийомом Амонтоном (1699 г.) и получили дальнейшее развитие Шарля-Огюстена де Кулона (1785 г.). [29] Леонард Эйлер (1750) показал, что тангенс угла естественного откоса на наклонной плоскости равен коэффициенту трения . [30]

Терминология

Склон

Механическое преимущество наклонной плоскости зависит от ее наклона , то есть уклона или крутизны. Чем меньше уклон, тем больше механическое преимущество и тем меньше сила, необходимая для поднятия заданного веса. Наклон плоскости s равен разнице высот между двумя ее концами, или « подъемом », деленной на ее горизонтальную длину, или « пробег ». [31] Его также можно выразить через угол, образуемый плоскостью с горизонтом, θ .

Геометрия наклонной плоскости основана на прямоугольном треугольнике . [31] Горизонтальную длину иногда называют Run , вертикальное изменение высоты Rise .

Механическое преимущество

Механическое преимущество MA простой машины определяется как отношение выходной силы, действующей на нагрузку, к приложенной входной силе. Для наклонной плоскости выходная сила нагрузки представляет собой просто силу гравитации объекта нагрузки на плоскости, его вес F w . Входная сила — это сила F i , приложенная к объекту параллельно плоскости, чтобы переместить его вверх по плоскости. Механическое преимущество заключается в

MA идеальной наклонной плоскости без трения иногда называют идеальным механическим преимуществом (IMA), тогда как MA с учетом трения называют фактическим механическим преимуществом (AMA). [32]

Наклонная плоскость без трения

Наклонная плоскость с инструментами, используемая для обучения физике, около 1900 года. Левая гиря обеспечивает силу нагрузки F w . Правый груз обеспечивает входную силу F i , поднимающую ролик вверх по плоскости.

Если между перемещаемым предметом и плоскостью нет трения , то устройство называется идеальной наклонной плоскостью . Это условие может быть достигнуто, если объект катится как бочка или поддерживается на колесах или роликах . Из-за сохранения энергии для наклонной плоскости без трения работа, совершаемая по подъему груза, W out , равна работе, совершаемой прилагаемой силой, W в [33] [34] [35]

Работа определяется как сила, умноженная на перемещение объекта. Работа, совершаемая над грузом, равна его весу, умноженному на вертикальное перемещение, которое он поднимает, что представляет собой «подъем» наклонной плоскости.

Входная работа равна силе F i , действующей на объект, умноженной на длину диагонали наклонной плоскости.

Подставляя эти значения в приведенное выше уравнение сохранения энергии и переставляя

Чтобы выразить механическое преимущество через угол плоскости θ , [34] из диаграммы (выше) видно, что

Так

Таким образом, механическое преимущество наклонной плоскости без трения равно обратной величине синуса угла наклона. Входная сила F i из этого уравнения — это сила, необходимая для того, чтобы удерживать груз неподвижно на наклонной плоскости или толкать его вверх с постоянной скоростью. Если входная сила больше этого значения, нагрузка ускорит самолет. Если сила меньше, он будет ускоряться вниз по самолету.

Наклонная плоскость с трением

Там, где между плоскостью и грузом существует трение , как, например, когда тяжелый ящик скользит вверх по пандусу, часть работы, приложенной входной силой, рассеивается в виде тепла за счет трения, W fric , поэтому на поверхность совершается меньше работы. нагрузка. Благодаря сохранению энергии сумма выходной работы и потерь энергии на трение равна входной работе.

Следовательно, требуется большая входная сила, а механическое преимущество ниже, чем если бы трение отсутствовало. При трении груз будет двигаться только в том случае, если результирующая сила, параллельная поверхности, больше силы трения F f , противодействующей ей. [8] [36] [37] Максимальная сила трения определяется выражением

где F nнормальная сила между нагрузкой и плоскостью, направленная перпендикулярно поверхности, а μкоэффициент статического трения между двумя поверхностями, который меняется в зависимости от материала. При отсутствии приложения входной силы, если угол наклона плоскости θ меньше некоторого максимального значения φ , составляющая гравитационной силы, параллельной плоскости, будет слишком мала, чтобы преодолеть трение, и груз останется неподвижным. Этот угол называется углом естественного откоса и зависит от состава поверхностей, но не зависит от веса груза. Ниже будет показано, что тангенс угла естественного откоса φ равен µ

При трении всегда существует некоторый диапазон входной силы Fi , в котором нагрузка является стационарной, не скользя вверх или вниз по плоскости, тогда как при наклонной плоскости без трения существует только одно конкретное значение входной силы, при котором нагрузка является стационарной.

Анализ

Ключ: F n = N = нормальная сила , перпендикулярная плоскости, F i = f = входная сила, F w = mg = вес груза, где m = масса , g = сила тяжести.

На груз, лежащий на наклонной плоскости, если рассматривать его как свободное тело, на него действуют три силы: [8] [36] [37]

Согласно второму закону Ньютона, груз будет находиться в стационарном или установившемся движении, если сумма действующих на него сил равна нулю. Поскольку направление силы трения противоположно для случая движения вверх и вниз, эти два случая необходимо рассматривать отдельно:

Механическое преимущество заключается в
где . Это условие надвигающегося движения вверх по наклонной плоскости. Если приложенная сила F i больше, чем указано в этом уравнении, груз переместится вверх по плоскости.
Механическое преимущество заключается в
Это условие неизбежного движения вниз по плоскости; если приложенная сила F i меньше, чем указано в этом уравнении, груз будет скользить по плоскости. Есть три случая:
  1. : Механическое преимущество отрицательное. В отсутствие приложенной силы груз останется неподвижным, и для его скольжения вниз потребуется некоторая отрицательная (нисходящая) сила.
  2. : « Угол откоса ». Механическое преимущество безгранично. Без приложенной силы груз не будет скользить, но малейшая отрицательная сила (вниз по склону) заставит его скользить.
  3. : Механическое преимущество положительное. В отсутствие приложенной силы груз будет скользить вниз по плоскости, и для его удержания в неподвижном состоянии требуется некоторая положительная (подъемная) сила.

Механическое преимущество при использовании мощности

Ключ: N = нормальная сила , перпендикулярная плоскости, W = мг, где m = масса , g = гравитация и θ ( тета ) = угол наклона плоскости.

Механическое преимущество наклонной плоскости заключается в соотношении веса груза на пандусе к силе, необходимой для его подъема по пандусу. Если энергия не рассеивается и не накапливается при движении груза, то это механическое преимущество можно рассчитать, исходя из размеров пандуса.

Чтобы показать это, пусть положение r железнодорожного вагона на пандусе с углом θ над горизонтом задается формулой

где R – расстояние по пандусу. Теперь скорость автомобиля на пандусе равна

Поскольку потерь нет, мощность, используемая силой F для перемещения груза вверх по пандусу, равна выходной мощности, которая представляет собой вертикальный подъем веса груза W.

Входная мощность, тянущая автомобиль вверх по пандусу, определяется выражением

и выходная мощность

Приравняйте входную мощность к выходной мощности, чтобы получить механическое преимущество, как

Механическое преимущество наклонной плоскости также можно рассчитать по отношению длины пандуса L к его высоте H, поскольку синус угла пандуса определяется выражением

поэтому,

Схема системы тросового привода наклонной плоскости Liverpool Minard.

Пример: Если высота пандуса H = 1 метр, а его длина L = 5 метров, то механическое преимущество равно

это означает, что сила в 20 фунтов поднимет груз массой 100 фунтов.

Наклонная плоскость Liverpool Minard имеет размеры 1804 х 37,50 метра, что обеспечивает механическое преимущество:

таким образом, сила натяжения троса в 100 фунтов поднимет груз массой 4810 фунтов. Степень этого наклона составляет 2%, что означает, что угол θ достаточно мал, чтобы sin θ≈tan θ.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Коул, Мэтью (2005). Исследуйте науку, 2-е изд. Пирсон Образование. п. 178. ИСБН 978-981-06-2002-8.
  2. ^ Университетский словарь Мерриам-Вебстера, 11-е изд . Мерриам-Вебстер. 2003. стр. 629. ISBN. 978-0-87779-809-5. словарь определений наклонной плоскости.
  3. ^ abcd «Наклонная плоскость». Центр математической и естественнонаучной деятельности . Едининформатика. 1999 . Проверено 11 марта 2012 г.
  4. ^ abc Сильверман, Баффи (2009). Простые машины: силы в действии, 4-е изд. США: Класс Хайнемана-Рейнтри. п. 7. ISBN 978-1-4329-2317-4.
  5. ^ abc Ортлеб, Эдвард П.; Ричард Кэдис (1993). Машины и работа. Лоренц Образовательная Пресса. стр. iv. ISBN 978-1-55863-060-4.
  6. ↑ Аб Рейли, Трэвис (24 ноября 2011 г.). «Урок 04: Скольжение вправо по наклонной плоскости». Преподавайте инженерное дело . Инженерный колледж, Univ. Колорадо в Боулдере. Архивировано из оригинала 8 мая 2012 года . Проверено 8 сентября 2012 г.
  7. ^ Скотт, Джон С. (1993). Словарь гражданского строительства. Чепмен и Хилл. п. 14. ISBN 978-0-412-98421-1. угол трения [механ.] при изучении тел, скользящих по плоским поверхностям, угол между перпендикуляром к поверхности и равнодействующей силой (между телом и поверхностью), когда тело начинает скользить. угол естественного откоса [см] для любого данного сыпучего материала - самый крутой угол к горизонту, под которым будет стоять поверхность с навалом в установленных условиях.
  8. ^ abcd Ambekar, AG (2007). Теория механизма и машин. Обучение PHI. п. 446. ИСБН 978-81-203-3134-1. Угол естественного откоса — предельный угол наклона плоскости, при котором тело, помещенное на наклонную плоскость, только начинает скользить по плоскости.
  9. ^ Розен, Джо; Лиза Куинн Готард (2009). Энциклопедия физических наук, Том 1. Издательство информационных баз. п. 375. ИСБН 978-0-8160-7011-4.
  10. ^ abc Koetsier, Теун (2010). «Саймон Стевин и возникновение архимедовой механики в эпоху Возрождения». Гений Архимеда – 23 века влияния на математику, науку и технику: материалы международной конференции, состоявшейся в Сиракузах, Италия, 8–10 июня 2010 г. Спрингер. стр. 94–99. ISBN 978-90-481-9090-4.
  11. ^ Девриз, Йозеф Т.; Гвидо Ванден Берге (2008). «Магия — это не волшебство»: чудесный мир Саймона Стевина. ВИТ Пресс. стр. 136–139. ISBN 978-1-84564-391-1.
  12. ^ аб Фейнман, Ричард П.; Роберт Б. Лейтон; Мэтью Сэндс (1963). Фейнмановские лекции по физике, Vol. I. США: Калифорнийский институт. технологии. стр. 4.4–4.5. ISBN 978-0-465-02493-3.
  13. ^ EJDijksterhuis: Саймон Стевин, 1943 г.
  14. ^ Тереза ​​Макгуайр, Свет на священных камнях , в Конне, Мари А.; Тереза ​​Бенедикт Макгуайр (2007). Не запечатлено в камне: очерки ритуальной памяти, души и общества. Университетское издательство Америки. п. 23. ISBN 978-0-7618-3702-2.
  15. ^ Датч, Стивен (1999). «Догреческие достижения». Наследие Древнего мира . Страница профессора Стива Датча, Univ. Висконсин в Грин Бэй. Архивировано из оригинала 21 августа 2016 года . Проверено 13 марта 2012 г.
  16. ^ Моффетт, Мэриан; Майкл В. Фасио; Лоуренс Вудхаус (2003). Всемирная история архитектуры. Издательство Лоуренса Кинга. п. 9. ISBN 978-1-85669-371-4.
  17. ^ Пит, Т. Эрик (2006). Памятники из грубого камня и их строители. Библиотека Эхо. стр. 11–12. ISBN 978-1-4068-2203-8.
  18. ^ Томас, Берк (2005). «Транспорт и наклонная плоскость». Строительство пирамид Гизы . world-mysteries.com. Архивировано из оригинала 13 марта 2012 года . Проверено 10 марта 2012 г.
  19. ^ Ислер, Мартин (2001). Палки, камни и тени: строительство египетских пирамид . США: Университет Оклахомы Пресс. стр. 211–216. ISBN 978-0-8061-3342-3.
  20. ^ Спрэг де Камп, Л. (1990). Древние инженеры. США: Барнс и Нобл. п. 43. ИСБН 978-0-88029-456-0.
  21. ^ ab Карл фон Лангсдорф (1826) Machinenkunde , цитируется в Reuleaux, Franz (1876). Кинематика машин: Очерки теории машин. Макмиллан. стр. 604.
  22. ^ например, списки простых машин, оставленные римским архитектором Витрувием (ок. 80–15 до н.э.) и греческим философом Героном Александрийским (ок. 10–70 н.э.), состоят из пяти классических простых машин, исключая наклонную плоскость. - Смит, Уильям (1848). Словарь греческих и римских древностей. Лондон: Уолтон и Маберли; Джон Мюррей. п. 722., Ашер, Эбботт Пейсон (1988). История механических изобретений. США: Courier Dover Publications. стр. 98, 120. ISBN. 978-0-486-25593-4.
  23. ^ Хит, Томас Литтл (1921). История греческой математики, Том. 2. Великобритания: Кларендон Пресс. стр. 349, 433–434.
  24. ^ abc Эджидио Феста и Софи Ру , Загадка наклонной плоскости в Лэрде, Уолтер Рой; Софи Ру (2008). Механика и натурфилософия до научной революции. США: Спрингер. стр. 195–221. ISBN 978-1-4020-5966-7.
  25. ^ аб Мели, Доменико Бертолони (2006). Мышление объектами: трансформация механики в семнадцатом веке. Джу Пресс. стр. 35–39. ISBN 978-0-8018-8426-9.
  26. ^ Аб Бойер, Карл Б.; Ута К. Мерцбах (2010). История математики, 3-е изд. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-63056-3.
  27. ^ Ашер, Эбботт Пейсон (1988). История механических изобретений. Публикации Courier Dover. п. 106. ИСБН 978-0-486-25593-4.
  28. ^ Мачамер, Питер К. (1998). Кембриджский компаньон Галилея. Лондон: Издательство Кембриджского университета. стр. 47–48. ISBN 978-0-521-58841-6.
  29. ^ аб Армстронг-Хелоуври, Брайан (1991). Управление машинами с трением. США: Спрингер. п. 10. ISBN 978-0-7923-9133-3.
  30. ^ Мейер, Эрнст (2002). Нанонаука: трение и реология в нанометровом масштабе. Всемирная научная. п. 7. ISBN 978-981-238-062-3.
  31. ^ аб Хэндли, Бретт; Дэвид М. Маршалл; Крейг Кун (2011). Принципы инженерии. Cengage Обучение. стр. 71–73. ISBN 978-1-4354-2836-2.
  32. ^ Деннис, Джонни Т. (2003). Полное руководство идиота по физике. Пингвин. стр. 116–117. ISBN 978-1-59257-081-2.
  33. ^ Нейв, Карл Р. (2010). «Наклон». Гиперфизика . Кафедра физики и астрономии, Университет штата Джорджия . Проверено 8 сентября 2012 г.
  34. ^ Аб Мартин, Лори (2010). «Lab Mech14: Наклонная плоскость — простая машина» (PDF) . Наука в движении . Вестминстерский колледж . Проверено 8 сентября 2012 г.
  35. ^ Пирсон (2009). Класс физики 10 - Серия The IIT Foundation. Нью-Дели: Pearson Education India. п. 69. ИСБН 978-81-317-2843-7.
  36. ^ аб Бансал, РК (2005). Инженерная механика и сопротивление материалов. Публикации Лакшми. стр. 165–167. ISBN 978-81-7008-094-7.
  37. ^ ab Это приводит к несколько более общим уравнениям, которые охватывают силу, приложенную под любым углом: Гуджрал, И.С. (2008). Инженерная механика. Брандмауэр Медиа. стр. 275–277. ISBN 978-81-318-0295-3.

Внешние ссылки