Bagaimana Cara Kerja Pengungkit dan Apa Yang Bisa Dilakukannya?

Tuas ada di sekitar kita dan di dalam diri kita, karena prinsip-prinsip fisik dasar tuas itulah yang memungkinkan tendon dan otot kita untuk menggerakkan anggota tubuh kita. Di dalam tubuh, tulang bertindak sebagai balok dan sendi bertindak sebagai titik tumpu.

Menurut legenda, Archimedes (287-212 SM) pernah terkenal berkata "Beri aku tempat untuk berdiri, dan aku akan menggerakkan bumi dengan itu" ketika dia mengungkap prinsip-prinsip fisik di balik tuas. Meskipun akan membutuhkan waktu lama untuk benar-benar menggerakkan dunia, pernyataan itu benar sebagai bukti cara itu dapat memberi keuntungan mekanis. Kutipan terkenal dikaitkan dengan Archimedes oleh penulis kemudian, Pappus dari Alexandria. Kemungkinan Archimedes tidak pernah benar-benar mengatakannya. Namun, fisika pengungkit sangat akurat.

Bagaimana cara kerja pengungkit? Apa prinsip yang mengatur pergerakan mereka?

Tuas adalah a mesin sederhana yang terdiri dari dua komponen material dan dua komponen kerja:

• Balok atau batang padat
• Titik tumpu atau pivot point
• Kekuatan input (atau upaya)
• Kekuatan output (atau beban atau perlawanan)

Balok ditempatkan sedemikian sehingga beberapa bagian bersandar pada titik tumpu. Dalam tuas tradisional, titik tumpu tetap pada posisi diam, sementara gaya diterapkan di suatu tempat di sepanjang balok. Balok kemudian berputar di sekitar titik tumpu, mengerahkan kekuatan output pada beberapa jenis objek yang perlu dipindahkan.

Matematikawan Yunani kuno dan ilmuwan awal Archimedes biasanya dikaitkan dengan telah menjadi pertama yang mengungkap prinsip-prinsip fisik yang mengatur perilaku tuas, yang diungkapkannya dalam matematika ketentuan

Konsep kunci yang bekerja dalam tuas adalah bahwa karena itu adalah balok yang solid, maka total torsi ke salah satu ujung tuas akan bermanifestasi sebagai torsi setara di ujung lainnya. Sebelum mulai menafsirkan ini sebagai aturan umum, mari kita lihat contoh spesifik.

Bayangkan dua massa seimbang pada balok melintasi titik tumpu. Dalam situasi ini, kita melihat bahwa ada empat jumlah kunci yang dapat diukur (ini juga ditunjukkan dalam gambar):

• M.₁ - Massa di salah satu ujung titik tumpu (gaya input)
• Sebuah - Jarak dari titik tumpu ke M.₁
• M.₂ - Massa di ujung tumpu (gaya keluaran)
• b - Jarak dari titik tumpu ke M.₂

Situasi dasar ini menerangi hubungan berbagai kuantitas ini. Perlu dicatat bahwa ini adalah tuas yang ideal, jadi kami mempertimbangkan situasi di mana sama sekali tidak ada gesekan antara balok dan titik tumpu, dan bahwa tidak ada kekuatan lain yang akan membuang keseimbangan dari keseimbangan, seperti angin sepoi-sepoi.

Pengaturan ini paling akrab dari dasar timbangan, digunakan sepanjang sejarah untuk menimbang benda. Jika jarak dari titik tumpu adalah sama (dinyatakan secara matematis sebagai Sebuah = b) maka tuas akan seimbang jika bobotnya sama (M.₁ = M.₂). Jika Anda menggunakan bobot yang diketahui di salah satu ujung skala, Anda dapat dengan mudah memberi tahu bobot di ujung timbangan yang lain ketika tuasnya seimbang.

Situasinya menjadi jauh lebih menarik, tentu saja, kapan Sebuah tidak sama b. Dalam situasi itu, apa yang Archimedes temukan adalah bahwa ada hubungan matematis yang tepat - pada kenyataannya, kesetaraan - antara produk massa dan jarak di kedua sisi tuas:

M.₁Sebuah = M.₂b

Dengan menggunakan rumus ini, kita melihat bahwa jika kita menggandakan jarak pada satu sisi tuas, dibutuhkan massa sebanyak setengahnya untuk menyeimbangkannya, seperti:

Sebuah = 2 b
M.₁Sebuah = M.₂b
M.₁(2 b) = M.₂b
2 M.₁ = M.₂
M.₁ = 0.5 M.₂

Contoh ini didasarkan pada gagasan massa yang duduk di tuas, tetapi massa bisa digantikan oleh apa pun yang mengerahkan kekuatan fisik pada tuas, termasuk lengan manusia yang mendorongnya. Ini mulai memberi kita pemahaman dasar tentang kekuatan potensial tuas. Jika 0,5 M.₂ = 1.000 pound, maka menjadi jelas bahwa Anda bisa menyeimbangkannya dengan bobot 500 pound di sisi lain hanya dengan menggandakan jarak tuas di sisi itu. Jika Sebuah = 4b, maka Anda dapat menyeimbangkan 1.000 pound hanya dengan 250 pound kekuatan.

Di sinilah istilah "leverage" mendapatkan definisi umum, sering diterapkan dengan baik di luar bidang fisika: menggunakan a jumlah daya yang relatif lebih kecil (sering dalam bentuk uang atau pengaruh) untuk mendapatkan keuntungan yang lebih besar secara tidak proporsional hasilnya.

Saat menggunakan tuas untuk melakukan pekerjaan, kami fokus bukan pada massa, tetapi pada gagasan mengerahkan input memaksa pada tuas (disebut usaha) dan mendapatkan kekuatan output (disebut muatan atau resistensi). Jadi, misalnya, ketika Anda menggunakan linggis untuk mencungkil paku, Anda mengerahkan tenaga upaya untuk menghasilkan daya tahan keluaran, yang menarik paku keluar.

Empat komponen tuas dapat digabungkan bersama dalam tiga cara dasar, menghasilkan tiga kelas tuas:

• Tuas Kelas 1: Seperti skala yang dibahas di atas, ini adalah konfigurasi tempat titik tumpu berada di antara gaya input dan output.
• Tuas kelas 2: Resistansi datang antara gaya input dan titik tumpu, seperti pada gerobak dorong atau pembuka botol.
• Tuas kelas 3: Titik tumpu ada di satu ujung dan perlawanan ada di ujung lainnya, dengan upaya di antara keduanya, seperti dengan sepasang pinset.

Masing-masing konfigurasi yang berbeda ini memiliki implikasi yang berbeda untuk keunggulan mekanis yang disediakan oleh tuas. Memahami ini melibatkan meruntuhkan "hukum tuas" yang pertama kali dipahami secara formal Archimedes.

Prinsip matematika dasar dari tuas adalah bahwa jarak dari titik tumpu dapat digunakan untuk menentukan bagaimana kekuatan input dan output saling berhubungan. Jika kita mengambil persamaan sebelumnya untuk menyeimbangkan massa pada tuas dan menggeneralisasikannya ke kekuatan input (F_saya) dan kekuatan output (F_Hai), kita mendapatkan persamaan yang pada dasarnya mengatakan bahwa torsi akan dilestarikan ketika tuas digunakan:

F_sayaSebuah = F_Haib

Formula ini memungkinkan kita untuk menghasilkan a rumus untuk "keunggulan mekanis" dari sebuah tuas, yang merupakan rasio dari gaya masukan terhadap gaya keluaran:

Keuntungan Mekanis = Sebuah/ b = F_Hai/ F_saya

Dalam contoh sebelumnya, di mana Sebuah = 2b, keunggulan mekanisnya adalah 2, yang berarti bahwa upaya 500 pon dapat digunakan untuk menyeimbangkan resistensi 1.000 pon.

Keuntungan mekanis tergantung pada rasio Sebuah untuk b. Untuk tuas kelas 1, ini dapat dikonfigurasi dengan cara apa pun, tetapi tuas kelas 2 dan kelas 3 membatasi nilai Sebuah dan b.

• Untuk tuas kelas 2, resistansi adalah antara upaya dan titik tumpu, artinya Sebuah < b. Oleh karena itu, keunggulan mekanis tuas kelas 2 selalu lebih besar dari 1.
• Untuk tuas kelas 3, usahanya adalah antara tahanan dan titik tumpu, artinya Sebuah > b. Oleh karena itu, keunggulan mekanis tuas kelas 3 selalu kurang dari 1.

Persamaan mewakili suatu model ideal bagaimana tuas bekerja. Ada dua asumsi dasar yang masuk ke situasi ideal, yang dapat membuang hal-hal di dunia nyata:

• Sinar itu benar-benar lurus dan tidak fleksibel
• Titik tumpu tidak memiliki gesekan dengan balok

Bahkan dalam situasi dunia nyata terbaik, ini hanya kira-kira benar. Titik tumpu dapat dirancang dengan gesekan yang sangat rendah, tetapi hampir tidak akan pernah memiliki gesekan nol dalam tuas mekanis. Selama balok memiliki kontak dengan titik tumpu, akan ada semacam gesekan yang terlibat.

Barangkali yang lebih problematis adalah anggapan bahwa sinar itu benar-benar lurus dan tidak fleksibel. Ingat kasus sebelumnya di mana kami menggunakan berat 250 pon untuk menyeimbangkan berat 1.000 pon. Titik tumpu dalam situasi ini harus mendukung semua berat tanpa kendur atau patah. Itu tergantung pada bahan yang digunakan apakah asumsi ini masuk akal.

Memahami tuas adalah keterampilan yang berguna di berbagai bidang, mulai dari aspek teknis teknik mesin hingga mengembangkan regimen binaraga terbaik Anda sendiri.