BASİT
MAKİNELER
FIKRA
Bir
fizikçi, bir kimyacı ve bir matematikçi ıssız bir çölde mahsur kalırlar.
Günler geçtikçe yiyecekleri hızla azalır ve bir müddet sonra üçünün de bir
teneke konserve kutusunda son yiyecekleri kalır. Fakat kutunun kapağını
açmaları gerekmektedir ki, bu da elle olacak bir şey değildir. Fizikçi nasıl
açsam diye düşünürken aklına basit makineler gelir ve çantasından çıkardığı
bir takım aletlerle konservenin kapağını açar, karnını doyurur. Kimyacı da
fizikçinin verdiği ilhamla çantasından asit çıkararak tenekenin kapağına
döker, kapak açılır ve kimyacı karnını doyurur. Matematikçiye sıra gelir.
Kapağı nasıl açsam diye düşünürken, teoremleri ispatlarken kullandığı bir
yöntem aklına gelir; " kabul edelim ki açık olsun" der, kutuyu
ağzına atar.
|
İş yaparken bir takım araçlardan faydalanırız. Bir basit makine, aletin bir
noktasına bir dış kuvvet uygulandığında başka bir noktadaki cisme kuvvet
uygulayan mekanik bir aygıttır. Basit makineler işleri yapmakta bir takım
kolaylıklar sağlarlar. Bu araçlar kerpeten, kaldıraç, el arabası, palanga,
makas, vida gibi araçlardır. Bu tip araçlara basit makineler denir.
Basit makineler enerji yaratmazlar. Enerjinin korunumu ilkesine göre bir makine
kendisine verilenden daha fazla miktarda iş çıkışı sağlayamaz. Makineler
çalışırken bir takım sürtünmelere maruz kaldıklarından dolayı ortaya çıkan iş
giren işten daha küçüktür. Bir makineden alınan verim, giriş işin çıkış
işine dönüştürme derecesinin ölçüsüdür. Bu ifadeyi formülle ifade edecek olursak;
Bir makine eğer yüzde yüz verimle çalışabilirse bu tip makinelere ideal makine
denir. Fakat bu tür makine henüz yapılamamıştır.
Makineleri en fazla yararlı olduğu durum, herhangi bir enerji yaratamamalarına
rağmen giriş kuvvetini büyültebilmeleridir. Basit makinelerin kuvvetleri
artırabilme özelliğine mekanik yarar denir. Eğer F0'a makinenin
kuvvet çıkışı, F1'e de giriş kuvveti dersek gerçek mekanik yarar
(GMY) formülü şöyle olacaktır:
Kaldıraçlar
İş yaparken
kullanılan metal, tahta veya buna benzer malzemelerden yapılan çubuklara
kaldıraç denir. Günlük hayatta kullandığımız birçok kaldıraç vardır. Bunlardan
bazıları şunlardır: Makas, el arabası, keser, kalas, gazoz açacağı.
Bir kaldıraç farklı kısımlardan meydana gelir. Kaldıraçta çubuğun dayandığı
noktaya destek noktası, yükün bulunduğu yerden
desteğe olan uzaklığa yük kolu, uygulanan
kuvvetin desteğe olan uzaklığına kuvvet kolu denir.
Kaldıraçlar farklı tiptedirler. Destek noktası ortada kuvvet ve yükün farklı
uçlarda olduğu kaldıraç tipine birinci tip kaldıraçlar, destek noktası bir uçta
yük ortada ve kuvvetin diğer uçta olduğu kaldıraçlara da ikinci tip kaldıraç
denir. Birinci tip kaldıraçlara örnek olarak; makas, tahterevalli, eşit kollu
terazi, ikinci tipe ise el arabası, fındık kıracağı verilebilir.
Kaldıraçların yaptığımız işte bize bir takım kolaylıklar sağladığını ifade
etmiştik. Kaldıraç kullanılması ile büyük yükleri daha küçük kuvvet kullanarak
yapabiliriz. Üstelik bazı işleri yapmak için bu tip araçlara gereksinim
duyarız. Bilim adamının dediği gibi "Bana bir kaldıraç verin, dünyayı
yerinden oynatayım" ifadesi abartılı olsa bile kaldıraçlar birçok işi daha
kolay yapmaya yarar. Gazoz kapağını elimizle açmak yerine açacak kullanma,
vidayı çıkarmak için anahtar kullanma, bir arabayı kaldırmak için kriko
kullanma direkt yapılması çok zor işlemlerdir. Bunun için bu tip araçlar
kullanırız.
Kaldıraç kullanmanın bir takım kuralları vardır. Eğer uygulanan kuvvet desteğe
ne kadar uzak olursa o kadar az kuvvet uygulanır. Bu ifadeyi formülleştirecek
olursak;
Kuvvet x Kuvvet kolu = Yük x Yük kolu
F1 x a1
= F2 x a2
Bir iş yaparken kaldıraç kullanmaktaki amaç işi kolaylaştırmaktır. Kaldıraçlar
yardımı ile küçük kuvvetlerle büyük yükler kaldırılır fakat işten kazanç
sağlanmaz. Kaldıraçlarla ilgili bir örnek verilecek olursa; 200 cm uzunluğundaki
bir çubuğun bir ucunda 800 N ağırlığında bir yük vardır. Bu uçtan 40 cm
uzaklıkta bir destek bulunmaktadır. Çubuğun diğer ucundan ne kadar büyüklükte
kuvvet uygulanırsa bu yük kaldırılabilir?
Bu problemi çözmek için kullanılacak formül; F1
. a1 = F2 . a2
olacaktır. Formülde rakamları yerine koyduğumuzda
F1 . 150 = 800 .
40 F1 = (800 . 40) /
160 F1 = 32000 /
160 F1 = 200 N şeklinde olacaktır. Görüldüğü
gibi yapılan işte elde edilen kazanç yükün 1/4 kadardır. Eğer kuvvet kolu daha
uzakta olsa idi daha fazla kuvvet kazanılacağını deneyerek yapabilirsiniz?
Makaralar
Makaralar da iş yaparken bir takım kolaylıklar sağlayan basit makinelerdendir.
Günlük yaşamda en fazla gördüğümüz şekliyle inşaatlarda harç, tuğla ve diğer
yapı malzemelerini taşımak için kullanılmaktadır. Makaralar değişik tiplerden
oluşmaktadır. Sabit, hareketli ve palanga makaralar olarak kullanılmaktadır.
Sabit Makaralar
Bir yere monte edilmiş şekilde kullanılan makaralardır. Kullanımda kuvvetin
yönünü değiştirme özelliği vardır. Bu makaralar kuvvetten kazanç sağlar. Yükü
kaldırmak için yüke eşit bir kuvvet kullanılır. P yükünü kaldırmak için ipin
ucunu h kadar çekmek gerekir. Bu işlemde yükün kazanacağı enerji, kuvvetin
yaptığı işe eşit olacağından formül şu şekilde oluşur;
P x h = F x h ise P = F olacaktır. Yani kuvvet = yük'tür. Sabit makaralarda kuvvetten ve
yoldan kazanç yoktur.
Hareketli Makaralar
Hareketli makaralar, yükün makaranın eksenine asıldığı sistemlerdir. İpin bir
ucu tavana asılır diğer uç ise kuvvet kullanılacak olan uçtur. Bu sistemde yük
ve makara birlikte yükselir veya alçalır. Hareketli makaralarda yükü kaldırmak
için uygulanacak kuvvet yükün yarısına eşdeğerdir. Yani F = P/2 şeklinde
formülleştirilebilir. Hareketli makaraya bağlı olan bir yükü kaldırmak için ipi
2h kadar çekmek gerekir. Hareketli makaralarda enerjiden kazanç sağlamaz. Çünkü
yük kuvvetin yaptığı iş kadar enerji kazanmaktadır.
Hareketli makaralar, sabit makaralarda olduğu gibi kuvvetin yönünde değişiklik
meydana getirmez. Sabit makara ile kaldıramadığımız birçok yükü hareketli
makaralar ile kaldırabiliriz. Örneğin 10 N'luk bir yükü kaldırmak için 5 N
kuvvet uygulamak yeterlidir. Fakat yükü 2 metre yükseğe çıkarmak için 4 metre
ip kullanmak gerekmektedir.
Palanga
Hareketli ve sabit
makaraların birlikte kullanıldığı sistemlerdir. Palangalar hem kuvvetten kazanç
sağlar hem de uygulanan kuvvetin yönünü değiştirir. Palangalar ile çok büyük
kuvvetleri hareket ettirmek mümkündür. Bir palangada ne kadar çok ip ve makara
kullanılırsa uygulanacak kuvvet de o kadar artacaktır. Palangaların kaldıracağı
kuvvet miktarını belirlemek için bu sistemde kullanılan ip sayıları ile
makaraların toplam yükü ile taşınacak yükün toplamı hesaba katılır. Bu ifadeyi
formülleştirecek olursak;
Kuvvet = Toplam yük / İp sayısı
yani F
= P / n diyebiliriz.
EĞİK DÜZLEM
Farklı malzemeler yapılan ve yere belirli bir açı ile yerleştirilen
düzeneklerdir. Bir eğik düzlem oluşturmak için bir kalasın bir ucunu yere diğer
ucunu 10-20 cm yukarıya kaldırmak yeterlidir. BU sistem basit bir eğik düzlemi
meydana getirir.
Eğik düzlem sistemini bir formül ile ifade edecek olursak; yükü P ile,
uygulanacak kuvveti F ile sürtünmesiz eğik düzlemin uzunluğunu L ile ve Eğik
düzlemin bir yere dayalı olan ucunu h ile ifade ettiğimizde F x L = P x h formülü ortaya çıkacaktır. Bu formülü
açıklayacak olursak; Uygulanan kuvvet ve eğik düzlemin uzunluğu, P x h kadar iş
yaparlar. Eğik düzlemde işten kazanç olmaz, kuvvetten kazanç olur.
Eğik düzlem sisteminde kuvvetin yüke olan oranı, eğik düzlemin yüksekliğinin
eğik düzlemin boyuna olan oranına eşittir. Yani
Eğik düzlem üzerindeki yük h kadar yükseldiğinde Ep = P x h kadar potansiyel
enerjiye sahip olur. Bu durumda kuvvet F x L kadar bir iş yapma
durumundadır.
Dişli Çarklar ve Çıkrık
Çıkrık
Çıkrıklar, aynı eksen etrafında birlikte dönebilen iki veya daha fazla
silindirden meydana gelirler. Bu sistemde yük küçük çaplı silindire bağlı iken
kuvvet çapı büyük olan silindire etki eder. Çıkrıklar, kuyulardan su çekmek,
tekstil fabrikalarında tezgahlarda ve eskiden yün eğirmek amacı için sıklıkla
kullanılan basit makinelerdir.
Çıkrıkların çalışma sisteminde kuvvet ve yük arasındaki ilişkiyi göstermek için
kuvvet ile çıkrık kolunun çarpımı, yük ile küçük silindirin yarı çarpımına olan
eşitliğinden yararlanılır. Yani
Çıkrık sisteminde
çıkrık kolu, küçük silindirin yarı çapından büyük olduğundan, uygulanan kuvvet
yükten daha küçük olur. Yani çıkrıklarda kuvvetten kazanç sağlarlar ama işten
ve enerjiden kazanç olmaz.
Çıkrık koluna uyguladığımız kuvvet, çıkrığın dönmesini sağlar. Bu dönme
esnasında ip kovanın asılı olduğu küçük silindire dolanır ve yük yukarı doğru
çıkar. Yukarıdaki formülden de çıkarılabileceği gibi çıkrıkta kuvvetle yükün
oranı 1'den küçük olduğundan daha küçük kuvvetlerle büyük yükler
kaldırılabilir. Çıkrıklarda diğer basit makinelerde olduğu gibi kuvvetten
kazanç sağlanırken iş veya enerjiden kazanç sağlanmaz.
Dişli Çarklar
Bazı sistemlerde birden daha fazla çıkrığın bir arada kullanılması gerekmektedir.
Çünkü yük tek çıkrıkla kaldırılamayacak kadar büyük olabilir veya sistem daha
rahat çalışır. Dişili çarklarda kuvvetten kazanç yanında hareketin yönünün
değiştirilmesi gerçekleşmektedir. Bu sistemde bir çıkrığa uygulanan kuvvet
diğer çıkrığa aktarılır ve dönme sağlanır. Bu tip basit makinelere örnek olarak
bisikletler, dikiş makineleri, vinçler, saatler, taşıtlar verilebilir.
Yukarıdaki örnekte ilk çark saat yönünün tersine doğru döndürülürse ikinci çark
saat yönünde dönecektir. Bu çarka bağlı olan diğer çark da yine saat yönüne
ters istikamette dönecektir. Bu şekilde birçok çark birbirine bağlanarak
sistemler oluşturulur ve hareketin yönü değiştirilerek daha az kuvvet ile iş
yapma imkanı doğar.
Bir sistemdeki çarklardan bir tanesini yarıçapı diğer çarkın 5 katı ise yarı
çapı büyük olan 1 devir yaparken yarı çapı küçük olan 5 devir yapar. Bir çark
sisteminde r1 yarıçaplı çarkın devir sayısına n1
denilirse, yarıçapı r2 olanın devir sayısı n2 olacaktır.
Bunu formülleştirecek olursak şu şekilde olacaktır:
Dişli
çarklarla büyük yükleri daha küçük kuvvetler kullanarak kaldırma imkanımız
vardır. Bu basit makinelerde kuvvette kazanç sağlarken enerji veya işte kazanç
sağlamazlar.
Kama ve Vida
Uçları üçgen bir şekilde olan ve baltaya benzeyen cisimlere kama denir. Bu
basit makineler metalden veya tahtadan yapılırlar ve kesicidirler. Bir nesne
kesilmek istendiğinde kamanın keskin ucu bu noktaya konulur ve üst kısmına sert
bir cisimle vurularak basınç oluşturulur böylece nesne kesilir.
Vida ise yine metal veya tahtadan yapılan ve bazı cisimleri birbirine tutturmak
veya monte etmek amacı için kullanılan basit makinelerdir. Vidalar üst
kısımlarındaki yarıklara tornavida sokularak döndürülür ve istenilen kısımlara
tutturulur. Birçok eşyanın ve aracın bir araya getirilmesinde vidalar
kullanılır.
Enerjinin
korunumu ikesine göre; vida başının yaptığı iş, ucunun yaptığı işe eşittir:
Vida 1 tur
attığında vida ucu zeminde a kadar yol alacağından;
F x (2πr) = N. a
r: Vida başının yarıçapı(kuvvet
kolu)
a: Vida adımı (ardışık iki diş arası uzaklık)
a: Vida adımı (ardışık iki diş arası uzaklık)
N:
Zeminin tepki kuvveti
Tekerlek
Cisimleri daha kolay ve rahat hareket ettirmek için ilk geliştirilen araçlardan
bir tanesi tekerleklerdir. Tekerleğin icadı ile cisimlerin taşınması daha
kolaylaşmış ve bu icat birçok yenilik getirmiştir. Hayatımızdaki birçok cisimde
tekerlekler kullanılır. Elektrik süpürgeleri, bisiklet, arabalar, masalar
farklı biçimlerde tekerlekler kullanılarak üretilen araçlardır. Tekerleklerde,
birçok aracın çalışmasında gücün ve hareketin iletilmesi için kayışlardan
faydalanılır.
Tekerleklerin
bazılarının yüzeyleri düz iken bazılarının dişlilere sahip olduğu
bilinmektedir. Bu dişliler zemin ile tekerlek arasındaki sürtünme miktarını
artırarak aracın daha kolay kontrol edilmesini sağlar. Dişli olmayan
tekerleklerin sürtünmesi düşük olacağından araç durdurulmak istendiğinde güçlük
çekilmektedir. Arabalarda kışın daha derin dişlilere sahip tekerlekler
kullanılır. Neden?
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder