Jalgrattaga sõites väntame pedaale, kuid ratast ajab ringi kettülekanne. Kivi saame kergemini august kätte kangi abil. Auto ratta vahetamiseks tõstetakse auto üles tungrauaga. Koormiste tõstmiseks kasutatakse plokke ja talisid. Salvkaevust saame vee kätte pööra käepidet keerates. Miks nii?
Kõik mainitud abivahendid koosnevad ühest või mitmest lihtmehhanismist.
Lihtmehhanismid on lihtsa ehitusega (ilma mootorita) seadmed, millega muudetakse ülekantava jõu suurust või suunda.
Kui asetame toetuspunktile pika jäiga ridva, siis oleme saanud lihtmehhanismi, mida nimetatakse kangiks. Uurime, kui palju tööd me peame tegema, et tõsta kivi kangiga august välja.
Kivi tõstmiseks 20 cm kõrgusele peame tõstma kivi jõuga
Seega töö, mida peame tegema, on
Me kasutame kahemeetrist kangi. Kivi on kangi toetuspunktist 40 cm kaugusel ning meie käsi on toetuspunktist 160 cm kaugusel. Et kangi kiviga ots tõuseks 20 cm võrra, peab kangi teist otsa alla vajutama 80 cm võrra – meie käsi on kangi toetuspunktist neli korda kaugemal, seega peab meie käsi läbima ka neli korda pikema tee. Töö, mida peame kivi tõstmiseks tegema, on 196 J. Seega teades, kui pika tee meie käsi läbib, saame leida jõu, millega peame kangi vajutama.
Ilma kangita oli vaja kivile rakendada jõudu 980 N, mis on neli korda rohkem kui kangi kasutades.
Kõikide lihtmehhanismide kohta saame kirja panna seaduspärasuse.
Lihtmehhanismid ei muuda töö hulka, mida tuleb teha. Lihtmehhanism muudab vajaminevat jõudu ja läbitud teepikkust. Nii mitu korda, kui lihtmehhanismi kasutamisel võidetakse jõus, kaotatakse läbitud tee pikkuses, ja vastupidi.
Seda seaduspärasust tuntakse kui mehaanika kuldreeglit.
Mehaanika kuldreegel väidab, et töö, mida peame tegema, on alati sama suur ega sõltu sellest, kas me kasutame lihtmehhanisme või mitte. Tegelikult peame lihtmehhanisme kasutades tegema alati rohkem tööd kui ilma nendeta, sest osa energiat kulub hõõrdejõudude ületamiseks lihtmehhanismide sees. Näiteks veeretades keha mööda kaldpinda üles, peame rakendama jõudu nii keha ülespoole liigutamiseks kui ka hõõrdejõu ületamiseks. Ilma kaldpinnata on meil vaja ainult rakendada jõudu keha tõstmiseks.
|
|
|---|---|
| Nii mitu korda, kui võidad jõus, kaotad teepikkuses. Tehtud töö ei muutu. | Nii mitu korda, kui võidad jõus, kaotad teepikkuses. Tehtud töö ei muutu. |
Seda, kui suure osa tehtud tööst moodustab kasulik töö, näitab kasutegur. Raskuse tõstmisel on kasulik töö see, mis kulub gravitatsioonijõu ületamiseks. Kogutöö, mis tehakse, on alati kasulikust tööst suurem, kuna lisaks töö tegemisele peame kulutama energiat hõõrdejõu (või mõne teise takistusjõu) ületamiseks. Kasuteguriks nimetatakse kasuliku töö suhet kogutööga:
Enamasti antakse kasutegur protsentides: