Kas ir slīpā plakne? Definīcija, darbības princips un piemēri

Kas ir slīpā plakne? Uzzini definīciju, darbības principu un praktiskus piemērus — rampas, asmeņi, kalni. Vienkārši skaidrojumi un ikdienas pielietojumi.

Slīpā plakne ir vienkārša mašīna. Tā ļauj izmantot mazāku spēku, lai pārvietotu objektu, taču parasti tas prasa lielāku ceļu (attālumu), ko objekts veic. Slīpā plakne samazina nepieciešamo spēku, sadalot spiedienu pret gravitāciju pa garāku virsmu.

Darbības princips

Slīpās plaknes pamatā ir gravitācijas spēka sadalīšana divās komponentēs: vienā, kas velk objektu pa plaknes virsmu uz leju (paralēlā komponente), un otrā, kas nostiprina objektu pie virsmas (normāla komponente). Ja objekta masa ir m un gravitācijas paātrinājums g, tad ideālā (bez berzes) paralēlā komponenta lielums ir F = m g sinθ, kur θ ir slīpnes leņķis pret horizontu. Normālā sastāvdaļa ir N = m g cosθ.

No praktiskā viedokļa slīpā plakne ļauj sasniegt to pašu vertikālo pacelumu h, izmantojot garāku rādiusu l (slīpnes garumu). Ideālā mehāniskā priekšrocība (mechanical advantage) ir l / h — jo garāka slīpne attiecībā pret augstumu, jo mazāku spēku nepieciešams pielietot. Tomēr kopējais veiktais darbs ideālā gadījumā nemainās: darbs ≈ m g h.

Berze un reālie apstākļi

Reālās slīpās plaknes ietekmē berze. Berzes spēks ir aptuveni F_berze = μ N = μ m g cosθ (μ — berzes koeficients). Tāpēc reālajā situācijā kopējais nepieciešamais spēks uz augšupeju ir F_total = m g sinθ + μ m g cosθ. Berzes dēļ efektīvā mehāniskā priekšrocība samazinās un veiktā darbā parasti tiek iztērēta papildu enerģija berzes sildīšanai.

Formulas īss pārskats

• Paralēlā gravitācijas komponente: F_par = m g sinθ
• Normālā reakcija: N = m g cosθ
• Ideālā mehāniskā priekšrocība: MA = l / h
• Darbs (ideālā gadījumā): W = m g h
• Ar berzi: F_total = m g sinθ + μ m g cosθ

Vienkāršs skaitlisks piemērs

Ja jāpacēš 10 kg priekšmets uz augstumu h = 2 m pa rampu, kuras garums l = 5 m, tad ideālā (bez berzes) nepieciešamā nepārtrauktā spēka vērtība būs aptuveni:

mg ≈ 10·9.81 = 98.1 N; F_ideālais ≈ m g h / l = (10·9.81·2)/5 ≈ 39.24 N.

Veiktais darbs ideālā gadījumā: W = m g h ≈ 10·9.81·2 ≈ 196.2 J. Ja papildus berze μ = 0.1, tad berzes spēks ≈ 0.1·98.1·cosθ; kopējais spēks būs lielāks par 39.24 N.

Praktiski piemēri un pielietojums

Kā slīpās plaknes var minēt rampas, slīpos ceļus un kalnus, arklus, kaltus, cirvjus, galdnieka ēveles un ķīļus. Tipisks slīpas plaknes piemērs ir slīpa virsma, piemēram, no ceļa braucamās daļas uz tiltu citā augstumā.

• Rampas pie iekraušanas vietām — samazina spēku, kas nepieciešams, lai pārvietotu smagas kastes.
• Vējdzirnavu vai ceļu serpentīni — mazinot slīpumu, autotransports var vieglāk uzbraukt kalnā.
• Ratiņu rampas (pie veikalu ieejām) — nodrošina piekļuvi mazāka spēka izmantošanā.
• Skrūve ir slīpās plaknes formas apvijums — tā pārvērš rotācijas kustību par lineāru spiedienu.

Vēl viena vienkārša mašīna, kuras pamatā ir slīpā plakne, ir asmens, kurā divas slīpas plaknes, kas novietotas viena pret otru, ļauj abām griezējamā priekšmeta daļām virzīties šķērsām, izmantojot mazāku spēku, nekā būtu nepieciešams, lai tās vilktu šķērsvirzienā. Līdzīgi ķīlis darbojas, pārvēršot spēku uz, piemēram, šķelšanas virsmu.

Ierobežojumi un drošība

Lai gan slīpā plakne samazina nepieciešamo spēku, pie tam bieži nepieciešams lielāks attālums vai ilgāks laiks. Stāvāka slīpne prasa lielāku spēku un palielina slīdēšanas risku — īpaši, ja ir liels berzes koeficients vai virsma mitra. Projektējot rampas vai ceļus, ņem vērā drošības standartu slīpuma ierobežojumus un vajadzību pēc noturības pret laikapstākļiem.

Kopsavilkums: Slīpā plakne ir vienkārša, bet universāla mehāniska ierīce, kas ļauj pacelt vai pārvietot priekšmetus, samazinot nepieciešamo spēku apmaiņā pret lielāku distanci. Fizikā tā tiek aprakstīta ar gravitācijas komponentēm, mehānisko priekšrocību un berzes ietekmi.

Spēku, kas iedarbojas uz priekšmetu uz slīpas plaknes, aprēķināšana

Lai aprēķinātu spēkus objektam, kas novietots uz slīpas plaknes, ņem vērā trīs spēkus, kas iedarbojas uz to.

1. Normālspēks (N), kas gravitācijas pievilkšanas dēļ iedarbojas uz ķermeni, t. i., mg cos θ
2. gravitācijas spēks (mg, kas darbojas vertikāli uz leju) un
3. berzes spēks (f), kas darbojas paralēli plaknei.

Gravitācijas spēku varam sadalīt divos vektoros, no kuriem viens ir perpendikulārs plaknei, bet otrs - paralēls plaknei. Tā kā perpendikulāri plaknei nav kustības, gravitācijas spēka komponentei šajā virzienā (mg cos θ) jābūt vienādai un pretējai plaknes radītajam normālajam spēkam N. Tāpēc N = m g c o s θ {\displaystyle N=mgcos\theta }. .

Ja smaguma spēka komponente, kas rodas paralēli virsmai (mg sin θ), ir lielāka par statisko berzes spēku f_s - tad ķermenis slīdēs pa slīpo plakni ar paātrinājumu (g sin θ - f_k /m), kur f_k ir berzes spēks, - citādi tas paliks nekustīgs.

Ja slīpuma leņķis (θ) ir nulle, arī sin θ ir nulle, tāpēc ķermenis nekustēsies.

Atslēgas: N = Normālspēks, kas ir perpendikulārs plakneiem = Objekta masag = Smaguma spēka radītais paātrinājumsθ (theta) = plaknes augstuma leņķis, mērot no horizontāles. f = slīpās plaknes berzes spēks

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir slīpā plakne?

J: Kādi ir daži slīpās plaknes piemēri?

J: Kāds ir tipisks slīpas plaknes piemērs?

J: Kāda ir vēl viena vienkārša mašīna, kuras pamatā ir slīpā plakne?

J: Kā slīpā plakne ļauj izmantot mazāku spēku, lai pārvietotu objektu?

J: Kādi ir daži slīpās plaknes piemēri ikdienā?

J: Kā slīpās plaknes ir noderīgas ikdienā?

Meklēt pēc burta