Клин — это инструмент треугольной формы , переносная наклонная плоскость и одна из шести простых машин . Его можно использовать для разделения двух объектов или частей объекта, поднятия объекта или удержания объекта на месте. Он функционирует путем преобразования силы , приложенной к его тупому концу, в силы, перпендикулярные ( нормальные ) к его наклонным поверхностям. Механическое преимущество клина определяется соотношением длины его ската к ширине. [1] [2] Хотя короткий клин с широким углом может выполнить работу быстрее, он требует больше усилий, чем длинный клин с узким углом.
Сила прикладывается к плоской широкой поверхности. Эта энергия передается к заостренному, острому концу клина, следовательно, передается сила.
Клин просто переносит энергию в виде трения и собирает ее на заостренном 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 раскалывания камня, обычно кремня , с образованием двустороннего лезвия или клина. Клин — это простая машина, преобразующая боковую силу и движение инструмента в поперечную силу раскалывания и перемещение заготовки. Доступная мощность ограничена усилием человека, использующего инструмент, но поскольку мощность является продуктом силы и движения, клин усиливает силу, уменьшая движение. Это усиление, или механическое преимущество , представляет собой соотношение входной скорости и выходной скорости. Для клина это определяется соотношением 1/tanα, где α — угол при вершине. Грани клина моделируются как прямые линии, образующие скользящее или призматическое соединение .
Происхождение клина неизвестно. В древнеегипетских каменоломнях бронзовые клинья использовались для раскалывания каменных блоков, используемых в строительстве . Использовались также деревянные клинья, которые набухали после насыщения водой. Некоторые коренные народы Америки использовали клинья из рога 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 лежат. [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, тогда мощность, поступающая в клин, равна выходной мощности.
Или
Скорость блока связана со скоростью клина наклоном стороны клина. Если угол клина равен α , то
это означает, что механическое преимущество
Таким образом, чем меньше угол α , тем больше отношение подъемной силы к силе, приложенной к клину. В этом механическое преимущество клина. Эта формула механического преимущества применима к режущим кромкам и операциям раскалывания, а также к подъему.
Их также можно использовать для разделения предметов, например, блоков тесаного камня. Колуны и колки используются для раскалывания древесины вдоль волокон.
Узкий клин с относительно длинной конусностью , используемый для точной регулировки расстояния между объектами, называется клином и обычно используется при регулировке станков.
Кончики вилок и гвоздей также представляют собой клинья, поскольку они раскалывают и разделяют материал, в который их втыкают или вбивают; тогда валы могут крепко удерживаться из-за трения.
Лезвие представляет собой сложную наклонную плоскость, состоящую из двух наклонных плоскостей, расположенных так , что плоскости сходятся на одной кромке. Когда край, где встречаются две плоскости, вдавливается в твердое или жидкое вещество, он преодолевает сопротивление материалов разделению, передавая силу, действующую на материал, на две противоположные силы, нормальные к поверхностям лезвия.
Первым известным применением клинка человеком был острый край кремневого камня, который использовался для раскалывания или раскалывания тканей животных, например, для резки мяса. Использование железа или других металлов привело к разработке ножей для подобных задач. Лезвие ножа позволяло людям резать мясо, волокна и другие растительные и животные материалы с гораздо меньшей силой, чем если бы их разорвали на части, просто потянув руками. Другими примерами являются плуги , разделяющие частицы почвы, ножницы , разделяющие ткань, топоры , разделяющие древесные волокна, а также долота и рубанки , разделяющие древесину.
Клинья, пилы и долота могут разделять толстые и твердые материалы, такие как дерево, твердый камень и твердые металлы, и делают это с гораздо меньшим усилием, тратой материала и с большей точностью, чем дробление , которое представляет собой приложение той же силы. на более широкой площади разделяемого материала.
Другие примеры клиньев можно найти в сверлах , которые проделывают круглые отверстия в твердых телах. Два края сверла затачиваются под противоположными углами в точку, и эта кромка наматывается на стержень сверла. Когда сверло вращается вокруг своей оси вращения, клинья вдавливаются в разделяемый материал. Результирующий разрез материала происходит в направлении вращения сверла, а спиральная форма сверла позволяет удалять срезанный материал.
Клинья также можно использовать для удержания на месте предметов, 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 клином и полом (или другой поверхностью).
Механическое преимущество или MA клина можно рассчитать, разделив высоту клина на его ширину: [1]
Чем острее или уже угол клина, тем больше отношение длины его наклона к ширине и, следовательно, тем больше механического преимущества он даст. [2]
Клин заедает, когда угол наклона клина меньше арктангенса коэффициента трения между клином и материалом. Следовательно, в эластичном материале, таком как дерево, трение может легче связать узкий клин, чем широкий. Вот почему головка колунов имеет гораздо более широкий угол, чем у топора.
