Bakalářská fyzika pro HGF VŠB-TUO

Princip jednoduchých strojů je označován jako tzv. zlaté pravidlo mechaniky. S využitím jednoduchých strojů nelze ušetřit práci, jednoduché stroje však usnadní práci tím, že můžeme vyvinout menší sílu nebo změnit směr působení síly. Zmenšení síly však musíme vykompenzovat působením síly na delší dráze.

Jednoduché stroje jsou mechanismy, které přenášejí sílu a mechanický pohyb z jednoho tělesa na jiné těleso. Jejich technicko-uživatelský význam spočívá především v tom, že umožňují měnit směr a velikost působící síly vynakládané člověkem, tj. „nešetří“ práci fyzikálně mechanickou , ale fyzickou, tj. „pouze“ práci lidskou. Na principu momentové věty fungují páka jednozvratná a dvojzvratná, kladka pevná a volná, kladkostroj a kolo na hřídeli. Na principu rozkladu síly (tíhy) na nakloněné rovině fungují nakloněná rovina, klín a šroub.

Páka je mechanismus založený na rovnováze momentů sil, přičemž většinou zanedbáváme vliv tření a vlastní hmotnost páky (vzhledem k hmotnosti břemene). Je to v podstatě pevná tyč otáčivá kolem pevné osy, která je k páce kolmá.

Podle umístění ramen páky vzhledem k ose otáčení lze páky rozdělit na dvojzvratné, jejichž ramena jsou na opačných stranách od osy rotace, jednozvratné, jejichž ramena jsou na stejné straně od osy rotace. Podle délky ramen se páky dělí na rovnoramenné, jejichž rameno síly je stejně dlouhé jako rameno břemene, na nerovnoramenné, jejichž délka ramena síly je různá od ramene břemena, a případně s proměnou délkou ramen, jejichž délka ramen se mění v závislosti na úhlu, který páka svírá s horizontálou.

U dvojzvratné páky působí síly F₁, F₂ na obou stranách osy (procházející bodem otáčení O). Páka je v rovnovážné poloze, jsou-li momenty sil vzhledem k ose otáčení stejně velké.

U jednozvratné páky působí síly F₁, F₂ na jedné straně osy. Páka je opět v rovnovážné poloze pouze tehdy, jsou-li momenty sil vzhledem k ose otáčení stejně velké.

Princip konání mechanické práce na kladce a na kole na hřídeli je obdobný pákám, tj. kladka (pevná, volná) a kolo na hřídeli jsou mechanismy založené na rovnováze momentů sil, přičemž většinou zanedbáváme vliv tření a vlastní hmotnost jednoduchého stroje vůči hmotnosti břemene. Kladka i kolo na hřídeli jsou v rovnovážné poloze, jsou-li momenty sil vzhledem k ose otáčení stejně velké: M₁ = M₂.

Kombinace kladek pevných a volných se nazývá kladkostroj (případ 2, 3, 4).

Verbální zadání:

Na rameni 3,6 m dvojzvratné páky působí síla 240 N. Ve které vzdálenosti od osy se udrží břemeno 720 N v rovnováze?

Matematizované zadání:

d₁ = 3,6 m ; F₁ = 240 N ; F₂ = 720 N ;

d₂ = ?

Fyzikální vztahy jako návod pro řešení:

Obecný a konkrétní výsledek:

Odpověď:

Rameno se udrží ve vzdálenosti 1,2 m od osy.

Verbální zadání:

Na volné kladce musíte zdvíhat břemeno silou 100 N. Umenšete potřebnou sílu zdvíhání při zachování jejího směru pomocí kladkostroje. Z kolika kladek se takový kladkostroj bude skládat?

Návod řešení:

Závěr:

Kladkostroj se bude skládat ze 4 kladek.

1. Reprezentativní příklady
2. Reprezentativní příklady

Aplikaci páky známe z mnoha příkladů technické praxe: stavební kolečko pro transport nákladu, páčidlo a zvedák, otvírák na uzávěry lahví a konzervy, louskáček (na ořechy), drtič česneku, kleště, nůžky, kolík na prádlo, vesla, houpačka, klasické mechanické váhy rovnoramenné, pedál k řízení auta, pantograf.

Bez jednoduchých strojů by se neobešlo ani moderní nástrojové lékařství.

Princip páky v kombinaci s principem kola na hřídeli užívají dveře, klika, francouzský klíč, šroubovák, kladka, volant, vodovodní kohoutek, převodovka.

Ozubené kolo je základní konstrukční součástí převodovek a dalších strojů. Ozubená kola jsou strojní součásti, pomocí kterých se převádí točivý pohyb a tak se přenáší mechanická energie z jednoho hřídele na druhý. Převodovky se používají především pro převody se stálým poměrem a s malou osovou vzdáleností hřídelů. Planetová převodovka na obrázku má oproti klasickým převodovkám menší rozměry, jednodušší řazení díky kolům ve stálém záběru, větší životnost než kola v klasické převodovce, snadné dosažení velkého převodového poměru vzhledem k rozměrům.

Aplikaci kladky známe z mnoha příkladů technické praxe: zavěšení hodinového závaží až velká zdvihadla, stavební, důlní a těžební stroje, jeřáb, výtah, napínák drátů elektrického vedení, vypínání plachtoví na jachtách apod. Ani kladkostroj nezůstal středověkým objevem, v současnosti se užívají velmi účinné a moderní elektrické řetězové kladkostroje.

Kladkostroj jeřábu pro práci na stavbách a lodní kladkostroj.

Rovněž podoba klasického rumpálu (cívka s připevněnou klikou) zaznamenala technické proměny. Např. navíjecí buben je mechanické zařízení, které se používá na navíjení a ložení velmi dlouhého lana nebo kabelu (známe navíjecí buben ve vysavači prachu nebo na plachetnici).

Složitější konstrukce obsahují převodové ústrojí a mohou být poháněny elektrickým proudem, hydraulicky, pneumaticky nebo spalovacím motorem. Některé mohou obsahovat elektromagnetickou a/nebo mechanickou brzdu nebo také ozubenou západku jistící buben proti samoodvíjení, která je důležitá zejména při napínání drátů či lan, případně jejich svazků.