Fizik Kitabı :: Fizik Bölümü :: Mekanik Paylaş |
Konu: BASİT MAKİNALAR Perş. Mart 12, 2009 10:53 pm
Is yaparken bir takim araçlardan faydalaniriz. Bir basit makine, aletin bir noktasina bir dis kuvvet uygulandiginda baska bir noktadaki cisme kuvvet uygulayan mekanik bir aygittir. Basit makineler isleri yapmakta bir takim kolayliklar saglarlar. Bu araçlar kerpeten, kaldiraç, el arabasi, palanga, makas, vida gibi araçlardir. Bu tip araçlara basit makineler denir.
Basit makineler enerji yaratmazlar. Enerjinin korunumu ilkesine göre bir makine kendisine verilenden daha fazla miktarda is çikisi saglayamaz. Makineler çalisirken bir takim sürtünmelere maruz kaldiklarindan dolayi ortaya çikan is giren isten daha küçüktür. Bir makineden alinan verim, giris isin çikis isine dönüstürme derecesinin ölçüsüdür. Bu ifadeyi formülle ifade edecek olursak;
Bir makine eger yüzde yüz verimle çalisabilirse bu tip makinelere ideal makine denir. Fakat bu tür makine henüz yapilamamistir.
Makineleri en fazla yararli oldugu durum, herhangi bir enerji yaratamamalarina ragmen giris kuvvetini büyültebilmeleridir. Basit makinelerin kuvvetleri artirabilme özelligine mekanik yarar denir. Eger F0'a makinenin kuvvet çikisi, F1'e de giris kuvveti dersek gerçek mekanik yarar (GMY) formülü söyle olacaktir:
Is yaparken kullanilan metal, tahta veya buna benzer malzemelerden yapilan çubuklara kaldiraç denir. Günlük hayatta kullandigimiz birçok kaldiraç vardir. Bunlardan bazilari sunlardir: Makas, el arabasi, keser, kalas, gazoz açacagi.
Bir kaldiraç farkli kisimlardan meydana gelir. Kaldiraçta çubugun dayandigi noktaya destek noktasi, yükün bulundugu yerden destege olan uzakliga yük kolu, uygulanan kuvvetin destege olan uzakligina kuvvet kolu denir. Kaldiraçlar farkli tiptedirler. Destek noktasi ortada kuvvet ve yükün farkli uçlarda oldugu kaldiraç tipine birinci tip kaldiraçlar, destek noktasi bir uçta yük ortada ve kuvvetin diger uçta oldugu kaldiraçlara da ikinci tip kaldiraç denir. Birinci tip kaldiraçlara örnek olarak; makas, tahterevalli, esit kollu terazi, ikinci tipe ise el arabasi, findik kiracagi verilebilir.
Kaldiraçlarin yaptigimiz iste bize bir takim kolayliklar sagladigini ifade etmistik. Kaldiraç kullanilmasi ile büyük yükleri daha küçük kuvvet kullanarak yapabiliriz. Üstelik bazi isleri yapmak için bu tip araçlara gereksinim duyariz. Bilim adaminin dedigi gibi "Bana bir kaldiraç verin, dünyayi yerinden oynatayim" ifadesi abartili olsa bile kaldiraçlar birçok isi daha kolay yapmaya yarar. Gazoz kapagini elimizle açmak yerine açacak kullanma, vidayi çikarmak için anahtar kullanma, bir arabayi kaldirmak için kriko kullanma direkt yapilmasi çok zor islemlerdir. Bunun için bu tip araçlar kullaniriz.
Kaldiraç kullanmanin bir takim kurallari vardir. Eger uygulanan kuvvet destege ne kadar uzak olursa o kadar az kuvvet uygulanir. Bu ifadeyi formüllestirecek olursak;
Bir is yaparken kaldiraç kullanmaktaki amaç isi kolaylastirmaktir. Kaldiraçlar yardimi ile küçük kuvvetlerle büyük yükler kaldirilir fakat isten kazanç saglanmaz. Kaldiraçlarla ilgili bir örnek verilecek olursa; 200 cm uzunlugundaki bir çubugun bir ucunda 800 N agirliginda bir yük vardir. Bu uçtan 40 cm uzaklikta bir destek bulunmaktadir. Çubugun diger ucundan ne kadar büyüklükte kuvvet uygulanirsa bu yük kaldirilabilir?
Bu problemi çözmek için kullanilacak formül; F1 . a1 = F2 . a2 olacaktir. Formülde rakamlari yerine koydugumuzda
F1 . 150 = 800 . 40 F1 = (800 . 40) / 160 F1 = 32000 / 160 F1 = 200 N seklinde olacaktir. Görüldügü gibi yapilan iste elde edilen kazanç yükün 1/4 kadardir. Eger kuvvet kolu daha uzakta olsa idi daha fazla kuvvet kazanilacagini deneyerek yapabilirsiniz?
Makaralar da is yaparken bir takim kolayliklar saglayan basit makinelerdendir. Günlük yasamda en fazla gördügümüz sekliyle insaatlarda harç, tugla ve diger yapi malzemelerini tasimak için kullanilmaktadir. Makaralar degisik tiplerden olusmaktadir. Sabit, hareketli ve palanga makaralar olarak kullanilmaktadir.
Bir yere monte edilmis sekilde kullanilan makaralardir. Kullanimda kuvvetin yönünü degistirme özelligi vardir. Bu makaralar kuvvetten kazanç saglar. Yükü kaldirmak için yüke esit bir kuvvet kullanilir. P yükünü kaldirmak için ipin ucunu h kadar çekmek gerekir. Bu islemde yükün kazanacagi enerji, kuvvetin yaptigi ise esit olacagindan formül su sekilde olusur;
P x h = F x h ise P = F olacaktir. Yani kuvvet = yük'tür. Sabit makaralarda kuvvetten ve yoldan kazanç yoktur.
Hareketli makaralar, yükün makaranin eksenine asildigi sistemlerdir. Ipin bir ucu tavana asilir diger uç ise kuvvet kullanilacak olan uçtur. Bu sistemde yük ve makara birlikte yükselir veya alçalir. Hareketli makaralarda yükü kaldirmak için uygulanacak kuvvet yükün yarisina esdegerdir. Yani F = P/2 seklinde formüllestirilebilir. Hareketli makaraya bagli olan bir yükü kaldirmak için ipi 2h kadar çekmek gerekir. Hareketli makaralarda enerjiden kazanç saglamaz. Çünkü yük kuvvetin yaptigi is kadar enerji kazanmaktadir.
Hareketli makaralar, sabit makaralarda oldugu gibi kuvvetin yönünde degisiklik meydana getirmez. Sabit makara ile kaldiramadigimiz birçok yükü hareketli makaralar ile kaldirabiliriz. Örnegin 10 N'luk bir yükü kaldirmak için 5 N kuvvet uygulamak yeterlidir. Fakat yükü 2 metre yüksege çikarmak için 4 metre ip kullanmak gerekmektedir.
Hareketli ve sabit makaralarin birlikte kullanildigi sistemlerdir. Palangalar hem kuvvetten kazanç saglar hem de uygulanan kuvvetin yönünü degistirir. Palangalar ile çok büyük kuvvetleri hareket ettirmek mümkündür. Bir palangada ne kadar çok ip ve makara kullanilirsa uygulanacak kuvvet de o kadar artacaktir. Palangalarin kaldiracagi kuvvet miktarini belirlemek için bu sistemde kullanilan ip sayilari ile makaralarin toplam yükü ile tasinacak yükün toplami hesaba katilir. Bu ifadeyi formüllestirecek olursak;
Kuvvet = Toplam yük / Ip sayisi yani F = P / n diyebiliriz.
Farkli malzemeler yapilan ve yere belirli bir açi ile yerlestirilen düzeneklerdir. Bir egik düzlem olusturmak için bir kalasin bir ucunu yere diger ucunu 10-20 cm yukariya kaldirmak yeterlidir. BU sistem basit bir egik düzlemi meydana getirir.
Egik düzlem sistemini bir formül ile ifade edecek olursak; yükü P ile, uygulanacak kuvveti F ile sürtünmesiz egik düzlemin uzunlugunu L ile ve Egik düzlemin bir yere dayali olan ucunu h ile ifade ettigimizde F x L = P x h formülü ortaya çikacaktir. Bu formülü açiklayacak olursak; Uygulanan kuvvet ve egik düzlemin uzunlugu, P x h kadar is yaparlar. Egik düzlemde isten kazanç olmaz, kuvvetten kazanç olur.
Egik düzlem sisteminde kuvvetin yüke olan orani, egik düzlemin yüksekliginin egik düzlemin boyuna olan oranina esittir. Yani
Egik düzlem üzerindeki yük h kadar yükseldiginde Ep = P x h kadar potansiyel enerjiye sahip olur. Bu durumda kuvvet F x L kadar bir is yapma durumundadir.
Disli Çarklar ve Çikrik
Çikriklar, ayni eksen etrafinda birlikte dönebilen iki veya daha fazla silindirden meydana gelirler. Bu sistemde yük küçük çapli silindire bagli iken kuvvet çapi büyük olan silindire etki eder. Çikriklar, kuyulardan su çekmek, tekstil fabrikalarinda tezgahlarda ve eskiden yün egirmek amaci için siklikla kullanilan basit makinelerdir.
Çikriklarin çalisma sisteminde kuvvet ve yük arasindaki iliskiyi göstermek için kuvvet ile çikrik kolunun çarpimi, yük ile küçük silindirin yari çarpimina olan esitliginden yararlanilir. Yani
Çikrik sisteminde çikrik kolu, küçük silindirin yari çapindan büyük oldugundan, uygulanan kuvvet yükten daha küçük olur. Yani çikriklarda kuvvetten kazanç saglarlar ama isten ve enerjiden kazanç olmaz.
Çikrik koluna uyguladigimiz kuvvet, çikrigin dönmesini saglar. Bu dönme esnasinda ip kovanin asili oldugu küçük silindire dolanir ve yük yukari dogru çikar. Yukaridaki formülden de çikarilabilecegi gibi çikrikta kuvvetle yükün orani 1'den küçük oldugundan daha küçük kuvvetlerle büyük yükler kaldirilabilir. Çikriklarda diger basit makinelerde oldugu gibi kuvvetten kazanç saglanirken is veya enerjiden kazanç saglanmaz.
Bazi sistemlerde birden daha fazla çikrigin bir arada kullanilmasi gerekmektedir. Çünkü yük tek çikrikla kaldirilamayacak kadar büyük olabilir veya sistem daha rahat çalisir. Disili çarklarda kuvvetten kazanç yaninda hareketin yönünün degistirilmesi gerçeklesmektedir. Bu sistemde bir çikriga uygulanan kuvvet diger çikriga aktarilir ve dönme saglanir. Bu tip basit makinelere örnek olarak bisikletler, dikis makineleri, vinçler, saatler, tasitlar verilebilir.
Yukaridaki örnekte ilk çark saat yönünün tersine dogru döndürülürse ikinci çark saat yönünde dönecektir. Bu çarka bagli olan diger çark da yine saat yönüne ters istikamette dönecektir. Bu sekilde birçok çark birbirine baglanarak sistemler olusturulur ve hareketin yönü degistirilerek daha az kuvvet ile is yapma imkani dogar.
Bir sistemdeki çarklardan bir tanesini yariçapi diger çarkin 5 kati ise yari çapi büyük olan 1 devir yaparken yari çapi küçük olan 5 devir yapar. Bir çark sisteminde r1 yariçapli çarkin devir sayisina n1 denilirse, yariçapi r2 olanin devir sayisi n2 olacaktir. Bunu formüllestirecek olursak su sekilde olacaktir:
Disli çarklarla büyük yükleri daha küçük kuvvetler kullanarak kaldirma imkanimiz vardir. Bu basit makinelerde kuvvette kazanç saglarken enerji veya iste kazanç saglamazlar.
Uçlari üçgen bir sekilde olan ve baltaya benzeyen cisimlere kama denir. Bu basit makineler metalden veya tahtadan yapilirlar ve kesicidirler. Bir nesne kesilmek istendiginde kamanin keskin ucu bu noktaya konulur ve üst kismina sert bir cisimle vurularak basinç olusturulur böylece nesne kesilir.
Vida ise yine metal veya tahtadan yapilan ve bazi cisimleri birbirine tutturmak veya monte etmek amaci için kullanilan basit makinelerdir. Vidalar üst kisimlarindaki yariklara tornavida sokularak döndürülür ve istenilen kisimlara tutturulur. Birçok esyanin ve aracin bir araya getirilmesinde vidalar kullanilir.
Enerjinin korunumu ikesine göre; vida basinin yaptigi is, ucunun yaptigi ise esittir:
Vida 1 tur attiginda vida ucu zeminde a kadar yol alacagindan;
r: Vida basinin yariçapi(kuvvet kolu)
a: Vida adimi (ardisik iki dis arasi uzaklik)
Cisimleri daha kolay ve rahat hareket ettirmek için ilk gelistirilen araçlardan bir tanesi tekerleklerdir. Tekerlegin icadi ile cisimlerin tasinmasi daha kolaylasmis ve bu icat birçok yenilik getirmistir. Hayatimizdaki birçok cisimde tekerlekler kullanilir. Elektrik süpürgeleri, bisiklet, arabalar, masalar farkli biçimlerde tekerlekler kullanilarak üretilen araçlardir. Tekerleklerde, birçok aracin çalismasinda gücün ve hareketin iletilmesi için kayislardan faydalanilir.
Tekerleklerin bazilarinin yüzeyleri düz iken bazilarinin dislilere sahip oldugu bilinmektedir. Bu disliler zemin ile tekerlek arasindaki sürtünme miktarini artirarak aracin daha kolay kontrol edilmesini saglar. Disli olmayan tekerleklerin sürtünmesi düsük olacagindan araç durdurulmak istendiginde güçlük çekilmektedir. Arabalarda kisin daha derin dislilere sahip tekerlekler kullanilir. Neden?
Fizik Kitabı :: Fizik Bölümü :: Mekanik