Mekanik 1

Indledning | Kræfter | Konstruktioner | Måleenhed for kraft | Hvor kommer kræfter fra? | Mekanismer | Mekanismer, der ændrer kraftens størrelse | Mekanismer der ændrer kraftens retning | Mekanismer, der ændrer bevægelsesformen | Mekanismer, der ændrer hastigheden | Maskiner | Energi

Indledning

Vil man vide noget om, hvordan en kran virker, og hvorfor den ikke bryder sammen, når den bærer et tungt læs på sin lange arm, så må man kende noget til mekanik.

I den del af fysikken ser vi på, hvordan kræfter i naturen og menneskeskabte kræfter påvirker tingene.

 

Men først må vi gøre os klart, hvad vi mener, når vi bruger ordet kraft eller kræfter i fysik. Til hverdag bruger vi ordene uden at være enige om den helt præcise mening med dem. Det går ikke, når vi skal bygge højhuse eller flyvemaskiner. Her skal man kunne måle og beregne alle kræfter, der har betydning for styrken. Ellers......

Kræfter

Når vi trækker eller skubber noget, siger vi i fysik, at vi påvirker tingen med en kraft. På tegninger angiver vi kraften med en pil. Den viser i hvilken retning, vi trækker/skubber (påvirker), og dens længde fortæller, hvor stor kraften er.

Det er meget enkelt, så længe en ting kun påvirkes af én kraft, ligesom på tegningerne ovenfor.

 

Det bliver straks lidt mere kompliceret, når flere trækker eller skubber til samme genstand samtidigt.

Hvad nu, hvis to mennesker trækker i hver sin retning?

Ved tovtrækning som vist på tegningen virker mange forskellige kræfter samtidigt på begge børn, men de mange kræfter ophæver hinandens virkning, og børnene står stille.

 

B trækker i A med en kraft, der netop holder A oprejst - og omvendt. Springer tovet, forsvinder deres gensidige træk i hinanden, og Jordens tiltrækningskraft sørger for, at de ryger på enden.

Når drengene på tegningen vælter træet, sørger de for at være to til at trække. Du kan forestille dig, hvordan det ville gå med én mand og én snor.

Det havde nok været snildt, hvis Fred kun havde lagt et snit fra den ene side!

Vi kan alle sammen forestille os, i hvilken retning, træet vælter. Men når vi ved, hvor meget hver trækker, kan det let lade sig gøre nøjagtigt at vise med en kraftpil både hvor stor kraft, træet påvirkes med, og i hvilken retning det vil vælte. Man skal blot lade de to kræfter danne sider i et parallelogram, så vil diagonalen vise den resulterende kraft (den kraft træet "mærker").

 

Fr er den resulterende kraft, den kraft F1 og F2 tilsammen bliver til, når man lægger
virkningen af dem sammen

Nu er du forhåbentlig nogenlunde dus med, hvad det er, vi kalder kræfter i fysik. Så kan vi gå i gang med byggeriet!

Konstruktioner

Alle vegne er vi omgivet af bygningsværker, konstruktioner, både naturens og de menneskeskabte. De fleste har nok undret sig over, hvordan edderkoppens fine spind af tynde tråde kan holde til at fange en stor spyflue, eller at Lillebæltsbroen kan bære sig selv plus mange køretøjer.

 

I begge tilfælde skyldes det dels deres opbygning (konstruktionen), dvs. måden, de spinkle dele er sat sammen på, dels skyldes det naturligvis også selve materialets styrke.

Lad os se på et simpelt eksempel. Når bageren skal have sin kringle ud at dingle, kan han vælge at hænge den i en tyk jernstang eller i en konstruktion med en skråstiver og så nøjes med at bruge ganske tyndt jern til det.

I næsten alle konstruktioner vælger man at spare på materialet og alligevel opnå stor styrke ved at udtænke en god opbygning. Et af de steder, det er tydeligst, er i kæmpekranen, der løfter tunge beton-byggeelementer. I forhold til sin last ser den nærmest ud til at være af sugerør. De mange skråstivere giver en enorm styrke.

Læg mærke til, at trekantkonstruktioner bruges alle vegne for at give styrke.

Selve udformningen af materialet er også vigtig. En massiv jernstang bøjes lettere end et stykke "profiljern", fx H-jern, T-jern, U-jern eller et jernrør, når man ser det i forhold til det, den vejer pr. meter. Samtidig er der meget sparet i materiale - og konstruktionen bliver dermed også lettere - ved at undgå det massive gods.

Når man studerer de kræfter, der virker i konstruktioner og i selve materialet, skelner man mellem trykkræfter ("skubbekræfter") og trækkræfter.

 

I det tværgående stykke tømmer, a, bliver der et træk, fordi de skrå stykker presser udad i begge ender. Der virker i øvrigt mange flere kræfter i den komplicerede tagkonstruktion, end dem, der er vist på tegningen.

 

 

Inde i selve pladen bliver materialet sammenpresset foroven og strakt forneden.

De fleste af de konstruktioner, man laver, skal være stive. En stiv konstruktion giver sig kun ganske lidt, når ydre kræfter påvirker den. Er den ikke stiv, bøjer den let eller klapper måske helt sammen.

 

I mange tilfælde ønsker man, at en konstruktion kan give sig noget. Så er den elastisk. De fleste maskinkonstruktioner skal være lidt elastiske, ellers kan materialet ikke holde til konstante rystelser eller stød og slag.

 

Måleenhed for kraft

For at fortælle, hvor stor en kraft er, må man have en måleenhed for kræfter. Igennem tiderne har der været brugt forskellige, og i dagligdagen bruger man stadig nogle af de gamle. I moderne fysik er man verden over enige om at bruge enheden newton (N).

Du kan få en fornemmelse af enhedens størrelse, når du får at vide, at en fuld én liters mælkekarton tiltrækkes af jorden med en kraft på ca. 10 N.

 

I fysiklokalet bruger vi et newtonmeter som kraftmåler.

Det består bare af en fjeder gemt i to rør med en måleskala på det tyndeste rør. Fjederen er så forbundet til enden af hvert rør.

Hvor kommer kræfter fra?

Ovenfor har vi set eksempler på muskelkraft, tyngdekraft og fjederkraft (i Newtonmeteret). Mange andre ting kan være årsag til kræfter:

Magneter, motorer, sammenstød - du kan selv fortsætte listen.

De fleste kræfter virker, når to ting rører hinanden, fx ved skub eller træk, men der findes også kræfter, der virker usynligt i såkaldte felter.

Der er tre slags felter: Magnetfelter, elektriske felter og tyngdefelter:

Omkring en almindelig magnet er der et magnetfelt - en magnet kan trække i et søm uden at røre sømmet:

 

Omkring en kam, der har været et par ture gennem håret, er der et elektrisk felt - kammen kan tiltrække små papirstumper eller få håret til at stritte uden at røre det:

 

 

 

Omkring Jorden, Måne, planeter, stjerner og andre tunge ting er der et tyngdefelt - Jorden kan trække din blyant ned til sig uden at røre ved den, og Jorden trækker i Månen, så Månen kredser i en bane rundt om Jorden.

 

Mekanismer

En mekanisme er en slags omformer. Én form for kraft puttes ind i den ene ende og ud af den anden kommer en ny form, oftest en større kraft, og måske med en anden retning.

 

En knibtang er et eksempel på en mekanisme.

Der skal meget stor kraft til at trække et søm op af et bræt. Det kan man ikke gøre med hænderne uden hjælp af den kraftforstærkning, knibtangen giver.

Foruden at omforme kraft, omformer mekanismer også bevægelse.

 

I en mekanisme, bestående af to tandhjul, vil både bevægelsesretning og - hvis de har forskelligt antal tænder - det andet hjuls rotationshastighed ændres

I forbindelse med mekanismer bruger vi udtrykkene input - den kraft eller bevægelse, vi påvirker en mekanisme med i den ene ende - og output - den kraft eller bevægelse, der kommer ud af den anden.

Som regel ændrer eller omformer en mekanisme flere ting på én gang, men for overskuelighedens skyld ser vi på én ting ad gangen.

Mekanismer, der ændrer kraftens størrelse

En særlig simpel mekanisme er vægtstangen. Den indgår til gengæld i et utal af andre mekanismer, så den er værd at stifte bekendtskab med. Det er nok også den mekanisme, der har været kendt og brugt længst af mennesker. Ved hjælp af den kan én mand flytte en tonstung ting.

Vægtstangen er en stang, der kan dreje om et fast punkt, omdrejningspunktet.

 

Med en lille kraft løftes stenen fra jorden i den ene ende,

og én mand kan på den måde lirke stenen af sted.

Vægtstangen bruges her som løftestang.

 

 

Også skålvægten består en vægtstang -

normalt med omdrejningspunktet midt på stangen.

Uden at tænke over det bruger vi vægtstangen gang på gang.

Inputbevægelsen er stor, og outputbevægelsen lille.

 

Lige modsat forholder det sig med input- og outputkraft.

 

 

Princippet er, at en lille kraft på den lange ende af vægtstangen kan modsvare en stor kraft på den korte.

 

For at lave beregninger på vægtstænger må man kende begrebet moment

moment = kraft × afstand til omdrejningspunktet

eller

moment = kraft × arm

Forestil dig en vægtstang i balance ("ligevægt"), da vil momentet på venstre side være lig med momentet på højre side.


Momentet på venstre side: 9 N × 0,5 m = 4,5 Nm

Momentet på højre side: 3 N × 1,5 m = 4,5 Nm

 

Mekanismer der ændrer kraftens retning

 

Outputkraften ved en vægtstang, der bliver brugt til at løfte en tung sten med, er dels større end inputkraften og dels er den modsat rettet

 

På de næste to tegninger kan du se to systemer af "trækstænger", hvor input- og outputkraft har forskellig retning.

 

Outputkraften vil altid stå vinkelret på inputkraften i dette eksempel

 

Input- og outputkræfterne vil altid være modsat rettede her

 

 

 

 

Mekanismer, der ændrer bevægelsesformen

 

Der er fire grundtyper af simple bevægelser:

bullet den lineære (fx en skuffe, der skubbes ind)
bulletstempelbevægelsen - frem og tilbage (fx stemplet i en knallert)
bulletden roterende bevægelse (fx hjul)
bulletsvingende bevægelse (fx pendulet på et stueur)

Pilene på billederne i dette afsnit viser bevægelsen (ikke kræfter).

 


Komodeskuffen udfører en lineær bevægelse

Stemplets bevægelse er frem og tilbage mens svinghjulets er roterende.


Kukurets pendul udfører en svingende bevægelse, mens dets visere roterer.

Her er nogle almindelige mekanismer, der ændrer bevægelsesformen. Sæt selv pile, der viser input- og output-bevægelse:

Mekanismer, der ændrer hastigheden

Mange motorer har en fast rotationshastighed, fx gælder det de fleste elmotorer, der sluttes til lysnettets vekselstrøm. Hvis den maskine, man skal bruge kræver en anden hastighed, kan man tilkoble motoren via en mekanisme af "trækhjul" i forskellige størrelser.

 

Således kan man beregne, hvor meget rotationshastigheden ændrer sig:

Output-rotationshastighed =

(inputhjulets diameter / outputhjulets diameter) x input-rotationshastighed

 

Når man skifter gear i en bil, flytter man det tandhjul, motoren trækker, mellem forskellige størrelser tandhjul, der er forbundet til hjulene. Derved kan man afpasse motorens og bilens hastigheder, så motoren hverken behøver hvæse rundt eller sejtrække, men kan køre med passende omdrejningstal (rotationshastighed).

Som tidligere nævnt ændrer den samme mekanisme normalt flere ting på én gang. Sætter man bilen i lavt gear (ved et bestemt omdrejningstal) øger man dens trækkraft (outputkraften) samtidig med, at man nedsætter bilens hastighed. Vil man have stor trækkraft, må man affinde sig med lav hastighed - og omvendt.

 

Maskiner

Hvis man kombinerer mange mekanismer, får man en maskine. Komplicerede maskiner vrimler med mekanismer. Det gælder fx store computerstyrede robotmaskiner.

Bilen er et godt eksempel på en "køremaskine". I den kan du finde alle mulige mekanismer: Trækstænger, tandhjul, remtræk....

Du må selv gå på jagt i bilen (eller i en bilbog), hvis du vil finde dem alle sammen.

 

Maskiner bruger energi og producerer arbejde:

Bilen bruger benzin og slæber rundt med os.

De computerstyrede robotter bruger elektricitet og laver ting til os.

 

Energi

I forrige afsnit brugte vi begrebet energi. Til daglig bliver det brug i flæng om mange forskellige ting, fx "Jeg er sprængfyldt af energi i dag". I fysik er vi nødt til at stramme op på begrebet og lave en mere præcis forklaring (definition). Vi prøver alligevel at gøre det i dagligsprog:

"energi kan sætte gang i noget"

eller udtrykt lidt mere fysisk:

"en ting eller et stof besidder energi, hvis det kan udføre et stykke arbejde"

En bowlingkugle har energi, for den kan, hvis heldet er med os, sætte gang i

keglerne. Energien kaldes her bevægelsesenergi.

En mursten, du holder i hånden indeholder energi, for den kan gå i bevægelse og, når den rammer jorden, sætte gang i noget dér. Jo højere du løfter stenen, des mere energi har den, for så kan den udrette mere, når den rammer jorden. Energien i den løftede mursten kaldes beliggenhedsenergi eller potentiel energi. Potentiel betyder noget i retning af indbygget eller tilbageholdt.

Olie indeholder energi, for når den brænder, kan den få en dampturbine til at lave et stykke arbejde. Energien i olie er kemisk energi.

Energi kan ikke blive væk eller pludselig opstå, men den kan let omdannes til en ny form for energi:

I en benzinmotor bliver kemisk energi til bevægelsesenergi. Motoren overfører sin energi til bilen, som så har bevægelsesenergi. Den bliver endelig til varmeenergi i luften og på vejen på grund af gnidningsmodstand.