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ニュートンの運動の法則を適用することにより、滑車システムの力と作用を計算できます。2番目の法則は、力と加速で機能します。 3番目の法則は、力の方向と、張力と重力のバランスを示しています。
滑車:浮き沈み
プーリーは、ロープ、ベルト、またはチェーンを備えた湾曲した凸状のリムを備えた取り付けられた回転ホイールで、ホイールのリムに沿って移動して引っ張り力の方向を変えることができます。自動車のエンジンやエレベーターなどの重い物体を動かすのに必要な労力を変更または削減します。基本的な滑車システムは、人の筋肉やモーターなどからの制御力がもう一方の端から引っ張っている間に、一方の端に接続されたオブジェクトを持っています。 Atwoodプーリーシステムには、プーリーロープの両端がオブジェクトに接続されています。 2つのオブジェクトの重量が同じ場合、プーリーは移動しません。ただし、どちらかの側の小さな引っ張りは、それらを一方または他方に移動します。負荷が異なる場合、重い負荷は加速し、軽い負荷は加速します。
基本プーリーシステム
ニュートンの第二法則、F(力)= M(質量)x A(加速度)は、プーリーに摩擦がないと仮定し、プーリーの質量を無視します。ニュートンの第3法則は、すべてのアクションに対して等しく反対の反作用があるため、システムの総力Fはロープの力またはT(張力)+ G(重力)が負荷を引くことに等しいと言います。基本的なプーリーシステムでは、質量より大きな力をかけると質量が加速し、Fが負になります。質量が加速する場合、Fは正です。
次の式を使用して、ロープの張力を計算します。T= M xA。4つの例、2g /s²で上向きに加速する9gの質量が付いた基本プーリーシステムでTを見つけようとする場合、T = 9g x 2m /s²= 18gm /s²または18N(ニュートン)。
次の式を使用して、基本プーリーシステムに重力によって生じる力を計算します。G= M x n(重力加速度)。重力加速度は9.8 m /s²に等しい定数です。質量M = 9g、したがってG = 9g x 9.8 m /s²= 88.2gm /s²、または88.2ニュートン。
計算したばかりの張力と重力を元の方程式に挿入します:-F = T + G = 18N + 88.2N = 106.2N。滑車システム内の物体が上方に加速しているため、力は負です。力の負の値は解に移動するため、F = -106.2Nになります。
アトウッドプーリーシステム
方程式、F(1)= T(1)-G(1)およびF(2)= -T(2)+ G(2)は、プーリーに摩擦または質量がないことを前提としています。また、質量2は質量1よりも大きいと想定しています。それ以外の場合は、方程式を切り替えます。
T(1)= M(1)x A(1)およびT(2)= M(2)x A(2)を計算するための計算機を使用して、プーリーシステムの両側の張力を計算します。たとえば、最初のオブジェクトの質量は3gに等しく、2番目のオブジェクトの質量は6gに等しく、ロープの両側は6.6m /s²に等しい同じ加速度を持ちます。この場合、T(1)= 3g x 6.6m /s²= 19.8NおよびT(2)= 6g x 6.6m /s²= 39.6N。
G(1)= M(1)x nおよびG(2)= M(2)x nの式を使用して、基本プーリーシステムに重力によって生じる力を計算します。重力加速度nは9.8 m /s²に等しい定数です。最初の質量M(1)= 3gおよび2番目の質量M(2)= 6gの場合、G(1)= 3g x 9.8 m /s²= 29.4NおよびG(2)= 6g x 9.8 m /s²= 58.8 N.
両方のオブジェクトに対して以前に計算された張力と重力を元の方程式に挿入します。最初のオブジェクトの場合F(1)= T(1)-G(1)= 19.8N-29.4N = -9.6N、2番目のオブジェクトの場合F(2)= -T(2)+ G(2)= -39.6N + 58.8N = 19.2N。第2のオブジェクトの力が第1のオブジェクトよりも大きく、第1のオブジェクトの力が負であるという事実は、第1のオブジェクトが上方に加速し、第2のオブジェクトが下方に移動していることを示します。