Kaldtasapind — lihtsa masina põhimõte, tüübid ja näited
Kaldtasapind — lihtsa masina põhimõte, tüübid ja praktilised näited. Saa teada, kuidas kaldpinnad vähendavad jõudu ja kus neid igapäevaselt kasutatakse.
Kaldtasapind on lihtne masin. See võimaldab objektide kõrguse muutmisel kasutada vähem jõudu. Kaldtasapind vähendab rakendatava jõu suurust, pikendades teepikkust, mille jooksul jõud töötab.
Kuidas kaldtasapind töötab
Kaldtasapind on lihtsalt kalleline pind, mille peamine omadus on pakkuda madalamat tõstekallet kui otse üles tõstmine. Ideaaltingimustes (ilma hõõrdumiseta) jääb tehtud töö sama — raskuse potentsiaalne energia muutub samaks — kuid vajalik rakendatav jõud väheneb, kuna sama töö jaguneb pikema teepikkuse peale.
Mehhaaniline eelis (ME) ehk kui mitu korda kaldtasapind vähendab jõudu arvutatakse lihtsasti: ME ≈ kaldpinna pikkus / kõrgus. Näiteks, kui ramp on 5 m pikk ja tõuseb 1 m, siis ME ≈ 5; teoreetiliselt on tarvis umbes viis korda vähem jõudu kui otse üles tõstes (praktikas lisandub hõõrdumine).
Tüübid ja sellest tuletatud lihtsad masinad
- Klassikaline kaldpind ehk ramp — sageli kasutuses sildadel, laadimisplatvormidel, rampidel ja treppide asemel ajutiste lahendustena.
- Näitena igapäevasest elust: kaldteed, künkad ja sildade rampvõimalused (nt teekate sillale eri kõrgusel).
- Teatud tööriistad ja esemed, mis põhinevad kaldtasapinnal: tisleritasapinnad, kiilud ja erinevad lõiketerad.
- Mõned traditsioonilised tööriistad, mida artiklites sageli mainitakse: aurad, vitsad ja kirved — nende toimimine sisaldab kaldtasapinda või sellest tulenevaid põhimõtteid.
- Tuletised: kaks seljaga vastastikku paigutatud kaldtasapinda moodustavad tera ehk kiilu, mida kasutatakse esemete lõhkumiseks või lõikamiseks ning mis vähendab vajalikku jõudu lõikamisel või murdmisel.
- Puur- või kruvisüsteemid on põhimõtteliselt pööreline kaldpind — kruvi on spiraalne kaldpind, mis teisendab pöörlevat liikumist nihkele ja suurendab mehhaanilist eeliseid.
Näited igapäevaelust ja kasutusalad
- Laadimisramp läbilaskevõime parandamiseks ja raskeveokite laadimiseks.
- Ratastoolirampid ja ligipääsetavuse lahendused avalikes kohtades.
- Ehituslike kallakute ja kaldteede projekteerimine, et vähendada transpordiks vajalikku jõupingutust.
- Mõned tööriistad, kus kaldtasapind on peamine toimimispõhimõte: kirved, kiilud ja lõiketerad, millest viimase näiteks on tera.
Arvutused ja praktilised kaalutlused
Kaldtasapinna valikul tuleb arvestada:
- Mehhaaniline eelis: pikem ja madalam ramp annab suurema eelise, kuid nõuab suuremat horisontaalset ruumi.
- Hõõrdumine: libedam pind vähendab jõu vajadust, ebatasane või krobeline pind suurendab seda.
- Struktuurne tugevus ja ohutus: pikkade või järskude kaldpindade puhul tuleb arvestada konstruktsiooni kandevõime ja kaldtee takistuste kõrvaldamisega.
- Töö- ja energiaarvestus: vaatamata väiksemale rakendatavale jõule jääb tehtav töö (või kõrguse muutmiseks vajaminev energia) põhimõtteliselt samaks, kui hõõrdumist ja energiahäireid eirata.
Kokkuvõte: kaldtasapind on lihtne ja tõhus viis vähendada rakendatavat jõudu, jagades tõstetöö pikemale teele. Sellest põhjal on arendatud ka teised lihtsad masinad — kiilud ja kruvid — ning kaldtasapinda kohtab laialdaselt nii igapäevaesemetes (kaldteed, rampide lahendused) kui ka tööriistades (tisleritasapinnad, kiilud, tera). Õige kaldpinna valik sõltub kasutuseesmärgist, ruumist ja hõõrdumise mõjust.
Kaldasuunaline tasapind võimaldab pääseda ülemisele korrusele.
Kalda tasapinnal asuvale objektile mõjuvate jõudude arvutamine
Kaldtasapinnale asetatud esemele mõjuvate jõudude arvutamiseks vaadake kolme sellele mõjuvat jõudu.
- Normaaljõud (N), mida raskusjõu tõmbest tulenev tasapind kehale avaldab, st mg cos θ
- raskusjõu (mg, mis mõjub vertikaalselt allapoole) ja
- tasandiga paralleelselt mõjuv hõõrdejõud (f).
Me võime jagada raskusjõu kaheks vektoriks, üks risti tasandiga ja teine paralleelselt tasandiga. Kuna tasapinnaga risti ei toimu liikumist, peab gravitatsioonijõu komponent selles suunas (mg cos θ) olema võrdne ja vastupidine tasapinna poolt rakendatavale normaaljõule N. Seega N = m g c o s θ {\displaystyle N=mgcos\theta }. 
.
Kui pinnaga paralleelne raskusjõu komponent (mg sin θ) on suurem kui staatiline hõõrdejõud fs - siis libiseb keha kaldtasapinnast alla kiirendusega (g sin θ - fk /m), kus fk on hõõrdejõud - vastasel juhul jääb ta paigale.
Kui kaldenurk (θ) on null, on ka sin θ null, seega keha ei liigu.
Võti: N = Normaaljõud, mis on risti tasandigaem = eseme massg = raskuskiirendusθ (theta) = tasapinna kõrguse nurk, mõõdetuna horisontaali suhtes. f = kaldtasapinna hõõrdejõud
Küsimused ja vastused
K: Mis on kallutatud tasapind?
V: Kaldu tasand on lihtne masin, mis võimaldab objekti liigutamiseks kasutada vähem jõudu.
K: Millised on mõned näited kaldtasanditest?
V: Kaldtasapindade näideteks on kaldteed, kaldteed ja künkad, aurad, vitsad, kirved, tisleritasapinnad ja kiilud.
K: Mis on tüüpiline näide kaldtasapinnast?
V: Kaldtasapinna tüüpiline näide on kaldus pind, näiteks teekate või sild eri kõrgusel.
K: Milline on veel üks lihtne masin, mis põhineb kaldtasapinnal?
V: Labidas on teine kaldtasapinnal põhinev lihtne masin, kus kaks seljaga vastastikku paigutatud kaldtasapinda võimaldavad lõigatud objekti kahel osal väiksema jõuga üksteisest lahku liikuda.
K: Kuidas võimaldab kaldtasapind kasutada objekti liigutamiseks vähem jõudu?
V: Kaldu tasand vähendab objekti liigutamiseks vajalikku jõudu, sest see suurendab vahemaad, mille ulatuses jõudu rakendatakse.
K: Millised on mõned igapäevased näited kaldtasapindade kohta?
V: Mõned igapäevased näited kaldtasapindade kohta on ratastoolirambid, jalakäijate kaldteed ja rula- ja rulluisutamises kasutatavad kaldteed.
K: Kuidas on kaldus tasapinnad igapäevaelus kasulikud?
V: Kaldtasandid on igapäevaelus kasulikud, sest need võimaldavad kasutada esemete liigutamiseks vähem jõudu, muutes füüsilised ülesanded lihtsamaks ja vähem koormavaks.
Otsige