コンテンツ
- 仕事、エネルギー、力
- 単純な機械の基本
- 機械的利点
- レバーの紹介
- レバーのクラス
- 生理学的および解剖学的レバー
- レバーサンプルの問題
- 機械的利点：プーリー
- 複合プーリー
- プーリーサンプルの問題
- メカニカルアドバンテージ計算機
誰かがあなたに、の概念を検討するように頼んだとき 機械 21世紀には、頭に浮かぶ画像はすべて電子機器（デジタルコンポーネントを搭載したものなど）または少なくとも電気を動力とするものであることが前提です。
それに失敗した場合、たとえば太平洋への19世紀のアメリカ西部拡張のファンなら、当時の列車に動力を与えた機関車の蒸気エンジンを思い浮かべることができます。
現実には、 単純な機械 数百年、場合によっては数千年前から存在し、それらを使用する人や人が供給できる範囲を超えるハイテクな組み立てや電力を必要とするものはありません。これらのさまざまなタイプの単純なマシンの目的は同じです。つまり、追加の 力 犠牲にして 距離 何らかの形で（そして、おそらく少しの時間もありますが、それはとんでもないです）。
それがあなたにとって魔法のように聞こえるなら、それはおそらくあなたが エネルギー、 関連する量。しかし、他の形式のエネルギーを除いて、システムでエネルギーを「作成」することはできませんが、力については同じではありません。この単純な理由があなたを待っています。
仕事、エネルギー、力
オブジェクトを使用して世界の他のオブジェクトを移動する方法を説明する前に、基本的な用語を理解しておくと便利です。
17世紀に、アイザックニュートンは物理学と数学の革命的な仕事を始めました。その頂点の1つは、ニュートンが運動の3つの基本法則を導入したことです。これらの2番目は、ネット 力 質量を加速したり、質量の速度を変更したりします： Fネット = ma.
力がオブジェクトを変位dで移動させると、 作業 そのオブジェクトで行われたと言われています：
W = F⋅d.
力と変位が同じ方向の場合、仕事の値は正であり、他の方向の場合、仕事の値は負です。仕事の単位はエネルギーと同じで、メーター（ジュールとも呼ばれます）です。
エネルギーは、運動と「静止」の両方の形で多くの形で現れる物質の特性であり、重要なことは、物理学における力と運動量（質量と速度）が同じように閉じたシステムで保存されることです。
単純な機械の基本
明らかに、人間は物を動かす必要があります。多くの場合、長距離です。距離を高く保ちながら力を保つことができると便利です。これには、産業化以前の時代にはさらに目立っていた人間の力が必要でしたが、なんとか低くなりました。仕事の方程式はこれを可能にしているように見えます。与えられた作業量に対して、Fとdの個々の値が何であるかは問題ではありません。
たまたま、これは単純なマシンの背後にある原理ですが、距離変数を最大化するという考えはしばしばありません。 6つのクラシックタイプすべて（ レバー、 その 滑車、 車輪と車軸、 傾斜面、 くさび そしてその スクリュー）は、同じ量の作業を行うために距離を犠牲にして、加えられる力を減らすために使用されます。
機械的利点
「メカニカルアドバンテージ」という用語は、おそらく物理システムをゲーム化して、対応するエネルギー入力なしでより多くの仕事を抽出できることを暗示しているように思われるため、本来よりも魅力的です。 （仕事にはエネルギーの単位があり、エネルギーは閉じたシステムで保存されるため、仕事が行われるとき、その大きさは発生する運動に投入されるエネルギーと等しくなければなりません。）残念ながら、そうではありませんが、 機械的優位性（MA） まだいくつかの素晴らしい慰めの賞品を提供しています。
今のところ、F1 とF2 と呼ばれるピボットポイントの周りに作用する 支点。この数量、 トルクは、単に力の大きさと方向に、支点からの距離Lを乗じて計算されます。 レバーアーム: T = F* L*。力F1 とF2 バランスを取ること T1 大きさが等しくなければなりません T2、 または
F1L1 = F2L2.
これも書くことができます F2/ F1 = L1/ L2。 F1 それは 入力力 （あなた、他の誰か、または別の機械またはエネルギー源）およびF2 それは 出力力 （負荷または抵抗とも呼ばれます）、F2とF1の比率が高いほど、システムの機械的優位性が高くなります。これは、比較的小さな入力力でより多くの出力力が生成されるためです。
比率 F2/ F1, またはおそらくできれば Fo/ F私, MAの方程式です。導入の問題では、摩擦と空気抵抗の影響が無視されるため、通常、理想的な機械的利点（IMA）と呼ばれます。
レバーの紹介
上記の情報から、基本的なレバーの構成要素がわかりました。 支点、 と 入力力 と 負荷。この必要最低限の配置にもかかわらず、人間の産業のレバーは非常に多様なプレゼンテーションになります。おそらく、他のオプションがほとんどないものを移動するためにてこ棒を使用する場合、レバーを使用したことをご存知でしょう。しかし、ピアノを演奏したり、爪切りの標準セットを使用したりするときにもレバーを使用しました。
レバーは、個々の機械的な利点がシステム全体としてさらに大きなものになるように、物理的な配置の観点から「積み重ね」られます。このシステムは複合レバーと呼ばれます（そして、あなたが見るように、滑車の世界にパートナーがいます）。
単純な機械の個々のレバーと滑車内、および複合配置の異なる機械間のこの乗算的な側面により、単純な機械が頭痛の種になることがあります。
レバーのクラス
A 一次レバー 力と負荷の間に支点があります。例は「シーソー「学校の遊び場で。
A 二次レバー 一端に支点があり、他端に力があり、負荷が間にあります。の 手押し車 古典的な例です。
A 三次レバー、 二次レバーのように、一端に支点があります。しかし、この場合、負荷はもう一方の端にあり、力はその中間のどこかに適用されます。野球のバットなどの多くのスポーツ用品は、このクラスのレバーを表しています。
レバーの機械的な利点は、このようなシステムの3つの必須要素を戦略的に配置することで、現実世界で操作できます。
生理学的および解剖学的レバー
身体には相互作用するレバーが搭載されています。一例は力こぶです。この筋肉は、肘（「支点」）と手で支えられている荷重との間の点で前腕に付着します。これにより、力こぶは3次レバーになります。
自明ではないかもしれませんが、足のふくらはぎの筋肉とアキレス腱が一緒になって、異なる種類のレバーとして機能します。歩いて前に進むと、足のボールが支点として機能します。筋肉と腱は上向きの前向きの力を発揮し、体重を抑えます。これは、手押し車のような2次レバーの例です。
レバーサンプルの問題
質量1,000 kgまたは2,204ポンド（重量：9,800 N）の自動車は、非常に剛性がありながら非常に軽いスチール製ロッドの端にあり、自動車の重心から5 mの位置に支点があります。 5 kg（110 lb）の質量を持つ人は、必要に応じて水平に伸ばすことができるロッドのもう一方の端に立って、自分で車の重量を相殺できると言います。彼女はこれを達成するために支点からどれくらい離れていなければなりませんか？
力のバランスには、F1L1 = F2L2、ここでF1 =（50 kg）（9.8 m / s2）= 490 N、F2 = 9.800 N、およびL2 =5。したがって、L1 =（9800）（5）/（490）= 100メートル （サッカー場より少し長い）。
機械的利点：プーリー
プーリーは、他の製品と同様に、何千年もの間さまざまな形で使用されている単純な機械の一種です。あなたはおそらくそれらを見たことがあります。それらは固定または可動で、回転する円形ディスクに巻き付けられたロープまたはケーブルを含み、溝またはケーブルが横に滑らないようにする他の手段があります。
プーリーの主な利点は、単純なプーリーの場合は値1のままであるMAを高めることではありません。それは、加えられた力の方向を変えることができるということです。重力がミックスに含まれていなければ、これはそれほど重要ではないかもしれませんが、それは事実であるため、人間の工学上の問題はすべて、何らかの方法でそれを戦うか、活用することを伴います。
プーリーを使用すると、重力が作用する方向と同じ方向に力を加えることができるため、比較的簡単に重い物体を持ち上げることができます。このような状況では、自分の体重を使って負荷を上げることもできます。
複合プーリー
前述のように、単純な滑車は力の方向を変えるだけなので、現実世界でのその有用性は、かなりではあるが最大化されません。代わりに、半径の異なる複数のプーリーのシステムを使用して、加えられた力を掛け合わせることができます。これは、より多くのロープを必要とするという単純な行為を通じて行われます。私 Wの固定値に対してdが上昇すると低下します。
それらのチェーンの1つの滑車がそれに続くものより大きな半径を持っているとき、これは半径の値の違いに比例するこのペアで機械的な利点を作成します。そのような滑車の長い配列、と呼ばれる 複合プーリー、非常に重い荷物を動かすことができます-ロープをたくさん持ってください！
プーリーサンプルの問題
最近到着した重量3,000 Nの物理学の本の箱は、滑車ロープに200 Nの力で引っ張るドックワーカーによって持ち上げられます。システムの機械的な利点は何ですか？
この問題は、見た目ほど簡単です。 Fo/ F私 = 3,000/200 = 15.0. 重要なのは、古くて電子的な華やかさの欠如にもかかわらず、単純な機械の驚くべき強力な発明が何であるかを説明することです。
メカニカルアドバンテージ計算機
オンライン計算機を使って、レバーの種類、相対的なレバーアームの長さ、プーリーの構成などの豊富なさまざまな入力を試してみて、これらの種類の問題の数値がどのようになっているのかを実際に感じることができます遊びます。このような便利なツールの例は、参考文献にあります。