Konu anlatımı
Kerpeten, makas, kriko, vinç: hepsi aynı fikrin farklı uygulamalarıdır. Bu alt başlıkta basit makinelerin ne işe yaradığını, kuvvet kazancının ne demek olduğunu ve neden hiçbir makinenin işten kazanç sağlayamadığını göreceksin.
Basit makineler ne yapar?
Bir ya da iki parçadan oluşan ve iş yapmayı kolaylaştıran düzeneklere basit makine denir: kaldıraç, makara, palanga, eğik düzlem, vida, çıkrık, dişli çark ve kasnak. Basit makineler üç işlevden birini ya da birkaçını yerine getirir: kuvvetin büyüklüğünü değiştirir, kuvvetin yönünü değiştirir ya da hareketin hızını ve dönme sayısını değiştirir. Sabit makara yalnızca yön değiştirir; kriko küçük kuvveti büyük kuvvete çevirir; bisikletin dişlileri pedalın dönüşünü tekerleğe farklı hızda aktarır.
İş ilkesi
Makineye uygulanan kuvvetin yaptığı işe harcanan iş, makinenin yük üzerinde yaptığı işe yararlı iş denir. Sürtünmesiz ve parçaları ağırlıksız kabul edilen ideal makinede bu iki iş eşittir: F·s = P·h; burada F uygulanan kuvvet, s kuvvetin aldığı yol, P yük, h yükün aldığı yoldur. Hiçbir makine verilenden fazla iş yapamaz; aksi enerjinin korunumuna aykırı olurdu. Bu yüzden basit makinelerde işten ve enerjiden kazanç yoktur.
Kuvvet kazancı
Yükün uygulanan kuvvete oranına kuvvet kazancı denir: kuvvet kazancı = P/F. Birimsiz bir orandır. İş ilkesinden P/F = s/h olduğu görülür: kuvvetten kaç kat kazanılıyorsa yoldan o kadar kat kaybedilir. Kuvvet kazancı 1'den büyükse makine kuvvetten kazandırır; 1'e eşitse yalnızca yön değiştirir; 1'den küçükse kuvvetten kaybettirir ama yoldan ve hızdan kazandırır. Cımbız, olta ve insan kolu gibi düzeneklerde amaç kuvvet değil, hareket genişliği kazanmaktır.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. İdeal bir basit makineyle 500 N ağırlığındaki bir yük 100 N'luk kuvvet uygulanarak 1 m yükseltiliyor. Makinenin kuvvet kazancı kaçtır? Kuvvet kaç metre yol alır ve yapılan iş kaç J'dür?
Çözüm. Kuvvet kazancı P/F = 500/100 = 5 olur. İş ilkesine göre kuvvetten 5 kat kazanıldığından kuvvet, yükün aldığı yolun 5 katı kadar yol alır: 1·5 = 5 m. Kuvvetin yaptığı iş 100·5 = 500 J, yük üzerinde yapılan iş 500·1 = 500 J'dür. Makine işi azaltmamış, yalnızca büyük kuvvet ve kısa yol yerine küçük kuvvet ve uzun yol kullanmayı sağlamıştır.
Örnek 2. Bir olta kamışının kuvvet kazancı 0,2'dir. Oltanın ucundaki 5 N ağırlığında bir balığı sabit hızla kaldırmak için balıkçı kaç N'luk kuvvet uygular? Balıkçının eli 10 cm hareket ettiğinde kamışın ucu ne kadar hareket eder?
Çözüm. Kuvvet kazancı P/F = 0,2 olduğundan F = 5/0,2 = 25 N'dur; balıkçı balığın ağırlığının beş katı kadar kuvvet uygular. Buna karşılık yoldan kazanır: kamışın ucu, elin aldığı yolun beş katını alır, yani 10/0,2 = 50 cm hareket eder. Olta kuvvetten kaybettirir, ama elin küçük bir hareketini uçta büyük ve hızlı bir harekete çevirir.
Sık yapılan hatalar
- Kuvvet kazancı büyük olan makinenin daha az iş gerektirdiğini sanmak.
- Kuvvet kazancını F/P olarak ters yazmak.
- Kuvvetten kaybettiren düzeneklerin işe yaramadığını düşünmek; bunlar yoldan ve hızdan kazandırır.
- Kuvvet kazancı = P/F = kuvvetin yolu / yükün yolu.
- İdeal makinede harcanan iş yararlı işe eşittir.
- Kuvvetten kazanç, yoldan aynı oranda kayıptır.