KELEBIHAN MEKANIKAL: FORMULA, PERSAMAAN, PENGIRAAN DAN CONTOH - FIZIKAL - 2026

The kelebihan mekanikal adalah faktor yang berdimensi yang secara kuantiti keupayaan mekanisme untuk menguatkan disminuir- dalam beberapa kes daya dikenakan ke melaluinya. Konsep ini berlaku untuk mekanisme apa pun: dari sepasang gunting hingga mesin kereta sport.

Ideanya adalah bahawa mesin mengubah kekuatan yang digunakan pengguna ke atasnya menjadi kekuatan yang jauh lebih besar yang mewakili keuntungan, atau mengurangkannya untuk menjalankan tugas yang halus.

Gambar 1. Lif hidraulik adalah mesin dengan kelebihan mekanikal lebih besar daripada 1. Sumber: Pixabay.

Harus diingat bahawa ketika mengoperasikan mekanisme, sebahagian daya yang diterapkan pasti diinvestasikan untuk mengatasi geseran. Oleh itu kelebihan mekanikal dikelaskan kepada kelebihan mekanikal sebenar dan kelebihan mekanikal ideal.

Definisi dan formula

Keuntungan mekanikal sebenar mesin ditakrifkan sebagai nisbah antara besarnya daya yang diberikan oleh mesin pada beban (daya keluaran) dan daya yang diperlukan untuk mengoperasikan mesin (daya input):

Kelebihan Mekanikal Sebenar VMR = Angkatan Keluar / Pasukan Masuk

Sementara untuk bahagiannya, kelebihan mekanikal yang ideal bergantung pada jarak yang dilalui oleh daya input dan jarak yang dilalui oleh daya output:

Kelebihan mekanikal yang ideal VMI = Jarak masuk / Jarak saluran keluar

Menjadi perunding antara kuantiti dengan dimensi yang sama, kedua kelebihannya tidak berdimensi (tanpa unit) dan juga positif.

Dalam banyak kes, seperti kereta sorong dan tekan hidraulik, kelebihan mekaniknya lebih besar daripada 1, dan pada yang lain, kelebihan mekaniknya kurang dari 1, misalnya pada pancing dan pencengkam.

Kelebihan mekanikal VMI yang ideal

IMV berkaitan dengan kerja mekanikal yang dilakukan di pintu masuk dan keluar mesin. Karya input, yang akan kita panggil W _i , dibahagikan kepada dua komponen:

W _i = Berusaha mengatasi geseran + Bersenam

Mesin yang ideal tidak perlu melakukan kerja untuk mengatasi geseran, oleh itu kerja pada input akan sama seperti pada output, dilambangkan sebagai W _atau :

Bekerja di jalan masuk = Bekerja di jalan keluar → W _i = W _o .

Oleh kerana dalam kes ini kerja adalah jarak masa paksa, kita mempunyai: W _i = F _i . ya _saya

Di mana F _i dan s _i masing-masing adalah daya dan jarak awal. Hasil kerja dinyatakan secara serupa:

W _o = F _o . s _atau

Dalam kes ini, F _o dan s _o adalah daya dan jarak yang dikeluarkan oleh jentera. Sekarang kedua-dua pekerjaan dipadankan:

F _i . s _i = F _o . s _atau

Dan hasilnya dapat ditulis semula dalam bentuk pernyataan kekuatan dan jarak:

(s _i / s _o ) = (F _o / F _i )

Nilai jarak tepat adalah kelebihan mekanikal yang ideal, mengikut definisi yang diberikan pada awal:

VMI = s _i / s _o

Kecekapan atau prestasi mesin

Adalah wajar untuk memikirkan kecekapan transformasi antara kedua pekerjaan: input dan output. Menunjukkan kecekapan sebagai e, ia ditakrifkan sebagai:

e = Hasil kerja / Input kerja = W _o / W _i = F _o . s _o / F _i . ya _saya

Kecekapan juga dikenali sebagai prestasi mekanikal. Dalam praktiknya, hasil kerja tidak pernah melebihi kerja input kerana kehilangan geseran, oleh itu hasil yang diberikan oleh e tidak lagi sama dengan 1, tetapi kurang.

Definisi alternatif melibatkan kuasa, iaitu kerja yang dilakukan setiap unit masa:

e = Output kuasa / Input kuasa = P _o / P _i

Keuntungan mekanikal sebenar VMR

Kelebihan mekanikal sebenarnya hanya ditakrifkan sebagai hasil antara daya output F _o dan daya input F _i :

VMR = F _o / F _i

Hubungan antara VMI, VMR dan kecekapan

Kecekapan e dapat ditulis semula dari segi VMI dan VMR:

e = F _o . s _o / F _i . s _i = (F _o / F _i ). (s _o / s _i ) = VMR / VMI

Oleh itu, kecekapan adalah hasil antara kelebihan mekanikal sebenar dan kelebihan mekanikal yang ideal, yang pertama kurang daripada yang terakhir.

Pengiraan VMR mengetahui kecekapan

Dalam praktiknya, VMR dikira dengan menentukan kecekapan dan mengetahui VMI:
VMR = e. VMI

Bagaimana kelebihan mekanikal dikira?

Pengiraan kelebihan mekanikal bergantung pada jenis mesin. Dalam beberapa kes, ia harus dilakukan dengan mengirimkan daya, tetapi dalam jenis mesin lain, seperti katrol misalnya, tork atau torsi τ yang dihantar.

Dalam kes ini, VMI dikira dengan menyamakan momen:

Tork keluaran = Tork input

Besarnya daya kilas adalah τ = Frsen θ. Sekiranya daya dan vektor kedudukan tegak lurus, di antara mereka terdapat sudut 90º dan sin θ = sin 90º = 1, memperoleh:

F _atau . r _o = F _i . r _i

Dalam mekanisme seperti tekan hidraulik, yang terdiri dari dua ruang yang saling berhubungan oleh tiub melintang dan diisi dengan bendalir, tekanan dapat disebarkan melalui omboh yang bergerak bebas di setiap ruang. Dalam kes tersebut, VMI dikira dengan:

Tekanan keluar = Tekanan masuk

Rajah 2. Rajah penekan hidraulik. Sumber: Cuéllar, J. 2015. Fizik II. Bukit McGraw.

Contoh

- Contoh 1

Tuas terdiri dari batang nipis yang disokong oleh penyokong yang disebut fulkrum, yang dapat diposisikan dengan berbagai cara. Dengan menerapkan kekuatan tertentu, yang disebut "kekuatan daya", kekuatan yang jauh lebih besar dapat diatasi, yaitu beban atau rintangan.

Rajah 3. Tuas kelas pertama. Sumber: Wikimedia Commons. CR

Terdapat beberapa cara untuk mencari titik, daya kuasa, dan beban untuk mencapai kelebihan mekanikal. Rajah 3 menunjukkan tuas kelas pertama, mirip dengan rocker, dengan fulkum terletak di antara daya kuasa dan beban.

Sebagai contoh, dua orang dengan berat badan yang berbeza dapat menyeimbangkan gergaji besi atau naik dan turun jika mereka duduk pada jarak yang sesuai dari fulkum.

Untuk mengira VMI tuas darjah pertama, kerana tidak ada terjemahan dan geseran tidak dipertimbangkan, tetapi ada putaran, momen disamakan, mengetahui bahawa kedua-dua daya tegak lurus ke bar. Di sini F _i adalah daya kuasa dan F _o adalah beban atau rintangan:

F _atau . r _o = F _i . r _i

F _o / F _i = r _i / r _o

Dengan definisi VMI = F _o / F _i , maka:

VMI = r _i / r _o

Sekiranya tiada geseran: VMI = VMR. Perhatikan bahawa VMI boleh lebih besar atau kurang dari 1.

- Contoh 2

Keuntungan mekanikal ideal hidraulik dikira melalui tekanan, yang menurut prinsip Pascal, dihantar sepenuhnya ke semua titik cecair yang terkurung di dalam bekas.

Daya input F ₁ pada Gambar 2 diterapkan pada omboh kecil kawasan A ₁ di sebelah kiri, dan daya keluaran F ₂ diperoleh dari omboh besar kawasan A ₂ di sebelah kanan. Jadi:

Tekanan masuk = Tekanan keluar

Tekanan ditakrifkan sebagai daya per unit kawasan, oleh itu:

(F ₁ / A ₁ ) = (F ₂ / A ₂ ) → A ₂ / A ₁ = F ₂ / F ₁

Oleh kerana VMI = F ₂ / F ₁ , kami mempunyai kelebihan mekanikal melalui nisbah antara bidang:

VMI = A ₂ / A ₁

Oleh kerana A ₂ > A ₁ , VMI lebih besar daripada 1 dan kesan tekan adalah untuk melipatgandakan daya yang dikenakan pada omboh kecil F ₁ .

Rujukan

1. Cuéllar, J. 2009. Fizik II. 1hb. Edisi. Bukit McGraw.
2. Kane, J. 2007. Fizik. Ke-2. Edisi. Reverté Pengarang.
3. Tippens, P. 2011. Fizik: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. Bukit Mcgraw
4. Wikipedia. Tuas. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Kelebihan mekanikal. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.