Basit Makineler

Bu konuda ne öğreneceksin

Ağır bir kutuyu tek başına kaldıramazsın ama bir tahta ile kolayca yerinden oynatabilirsin. Kapı kolu, makas, bisiklet vitesi ve rampa aynı mantıkla çalışır. Bu konuda iş yapmayı kolaylaştıran basit makineleri ve bunların nasıl hesaplandığını öğreneceksin.

1. İş ve basit makineler

Fizikte iş, bir cisme kuvvet uygulayıp onu kuvvet yönünde yer değiştirmesidir.

$W = F \cdot x$

İşin birimi joule (J) dür. Kuvvet newton, yol metre alınır. Örneğin 10 N’luk kuvvetle bir cismi 3 m çekersen $10 \cdot 3 = 30$ J iş yaparsın.

Basit makineler, iş yapmayı kolaylaştıran araçlardır. Kuvvetin büyüklüğünü ya da yönünü değiştirirler. Ancak hiçbir basit makine iş kazancı sağlamaz. Kuvvet azalırsa yol uzar, yol kısalırsa kuvvet artar. Sürtünmesiz ideal durumda uygulanan kuvvetle yolun çarpımı (yani iş) değişmez.

• Kuvvet kazancı sağlanırYoldan kayıp olur. Daha küçük kuvvetle ama daha uzun mesafede çalışırsın.
• Yoldan kazanç sağlanırKuvvetten kayıp olur.
• İş hep aynı“İş kazancı yoktur” kuralı. Sürtünme varsa iş kaybı bile olur.

2. Kaldıraç

Kaldıraç, bir destek noktası etrafında dönebilen çubuktur. Üç temel kavram vardır.

• Destek noktası: Çubuğun etrafında döndüğü nokta.
• Kuvvet kolu ($l_k$): Uygulanan kuvvet ile destek arasındaki uzaklık.
• Yük kolu ($l_y$): Yük ile destek arasındaki uzaklık.

Kaldıraç dengedeyken kuvvet ile kuvvet kolunun çarpımı, yük ile yük kolunun çarpımına eşittir.

$F \cdot l_k = G \cdot l_y$

Kuvvet kolu ne kadar uzunsa yükü o kadar küçük kuvvetle dengeleyebilirsin. Bu yüzden kapı kolunun menteşeden uzağa takılması, uzun saplı pense kullanmak ve uzun bir demir çubukla kaya oynatmak daha kolaydır.

Örnek: Yük kolu 20 cm, kuvvet kolu 80 cm olan bir kaldıraçta 40 N’luk yükü dengelemek için gereken kuvvet:

$F \cdot 80 = 40 \cdot 20 \Rightarrow F = 10\ \text{N}$

Kuvvet kolu yük kolunun 4 katı olduğu için kuvvet 4 kat azalmıştır. Karşılığında kuvvetin uygulandığı uçta yol 4 kat fazla alınır.

3. Makaralar

Sabit makara, bir yere sabitlenmiş makaradır. Yükü asılı ip aynı büyüklükte kuvvetle çekilir. Kuvvet kazancı yoktur, yalnızca kuvvetin yönü değişir. Yukarı kaldırmak için aşağı doğru çekersin.

$F = G$

Hareketli makara, yükle birlikte hareket eder. Yük iki ip tarafından taşınır. Bu nedenle kuvvetten 2 kat kazanç sağlanır.

$F = \frac{G}{2}$

Yükü 1 m yükseltmek için ipin ucunu 2 m çekmen gerekir. Kuvvetten kazanç, yoldan kayıptır.

Palanga, birden fazla sabit ve hareketli makaranın birleşimidir. Yükü taşıyan hareketli iplerin sayısı kadar kuvvet kazancı sağlanır. Ağır yükleri kaldıran inşaat vinçleri bu sisteme örnektir.

4. Eğik düzlem

Eğik düzlem, yükü doğrudan yukarı kaldırmak yerine bir rampa ile çıkarma düzeneğidir. Düzlemin boyu ($\ell$) yüksekliğinden ($h$) büyük olduğundan kuvvetten kazanç sağlanır.

$F \cdot \ell = G \cdot h$

Sürtünmesiz durumda 100 N’luk yükü 2 m yüksekliğe, 10 m uzunluğundaki rampa ile çıkarmak için gereken kuvvet:

$F \cdot 10 = 100 \cdot 2 \Rightarrow F = 20\ \text{N}$

Düzlem ne kadar uzun ve az eğimli olursa gereken kuvvet o kadar küçük olur, ama yol uzar. Dağ yollarının virajlı yapılması, rampalar ve merdivenler eğik düzlem örnekleridir.

Vida, silindir etrafına sarılmış eğik düzlemdir. Vida adımı (diş araları) küçüldükçe kuvvet kazancı artar.

Kama, iki eğik düzlemin birleşimidir. Bıçak, balta ve çivi buna örnektir.

5. Çıkrık

Çıkrık, bir silindire bağlı bir kol ya da manivelanın aynı eksen etrafında dönmesiyle çalışır. Kuyudan su çekmek, vinç ve direksiyon çıkrık örnekleridir. Kolun yarıçapı $R$, silindirin yarıçapı $r$ ise denge koşulu şöyledir.

$F \cdot R = G \cdot r$

Kol ne kadar uzunsa (R büyükse) o kadar küçük kuvvetle yük çekilir.

6. Dişli çarklar ve kasnaklar

Dişli çarklar, dişleri birbirine geçerek dönmeyi aktarır. Aralarında şu ilişkiler vardır.

• Birbirine doğrudan temas eden iki dişli zıt yönde döner.
• Büyük dişli yavaş, küçük dişli hızlı döner. Diş sayısı ile dönme sayısının çarpımı iki dişlide eşittir.

$N_1 \cdot d_1 = N_2 \cdot d_2$

Burada $N$ dönme sayısını, $d$ diş sayısını gösterir. Örneğin 40 dişli bir çark 3 tur atarsa, 20 dişli çark 6 tur atar.

Kasnaklar, kayışla birbirine bağlanır. Kayışla bağlanan kasnaklar aynı yönde döner. Büyük kasnak yavaş, küçük kasnak hızlı döner. Bisikletin pedal dişlisi ile arka dişlisi zincirle bağlıdır ve aynı yönde döner.

7. Konuyu toparla

Mini test

Kendini dene

Yanlış yaptığın soruları yanlış soru defterine ekleyebilirsin. Birkaç gün sonra tekrar karşına çıkar.