Rasitatko itseäsi saksilla turhaan? Tieteen näkökulma muuttaa työkalujen valinnan – ‘Vipuvoima’ ja ‘Työn periaate’!

Hei, olen tiedeohjaaja Ken Kuwako. Joka päivä on koe!

Hei kaikille! Käytättekö saksia tai pihtejä miettimättä sen enempää? Mitä jos arkipäiväsi muuttuisivat hauskemmiksi ja älykkäämmiksi, kun ymmärtäisit työkaluihin kätkettyjä voiman sääntöjä? Totuus on, että päivittäiset työkalumme ovat täynnä koulussa opittuja fysiikan lakeja. Tällä kertaa sukellamme antiikin viisaan Arkhimedeenkin rakastamaan mysteeriin, joka piilee tutuissa työkaluissa. Mutta aloitetaan aivojumpalla!

【Tietovisa】Millä työkalulla katkaiset kovan rautalangan?

Sinun on katkaistava edessäsi oleva kova rautalanka. Käytössäsi on kolme työkalua. Mikä näistä on helpoin valinta?

A: Sakset

B: Sivuleikkurit

C: Kärkipihdit

Valitse intuitiolla. Valintasi takana piilee suuri periaate, joka saa maailman pyörimään.

Ota tiedemagia haltuun: hyödynnä vivun periaatetta!

Tämän mysteerin avain on ala-asteella opittu vivun periaate. Se on sama outo ilmiö, jonka avulla voit keinua kaverin kanssa, vaikka painoeroa olisi, tai siirtää painavia asioita tangon avulla.

Vivun periaatteen ymmärtää parhaiten ”voiman momentin” käsitteen avulla. Vaikka ”momentti” saattaa kuulostaa vaikealta, se tarkoittaa yksinkertaisesti ”voiman pyörittävää tehoa”. Tämän pyörimisen keskipiste on tuki, johon me kohdistamme voiman on tukipiste ja mihin rautalangan voima kohdistuu on toimintapiste. Näiden kolmen pisteen väliset ”etäisyydet” kätkevät sisäänsä voiman vahvistamisen salaisuuden.

F1×A=F2×B

Tämä kaava osoittaa maagisen lain: ”Mitä pidempi etäisyys tukipisteestä voiman kohdistuspisteeseen (A) on ja mitä lyhyempi etäisyys tukipisteestä toimintapisteeseen (B) on, sitä pienemmällä voimalla (F1) voidaan tuottaa valtava voima (F2)”. Esimerkiksi tässä työkalussa etäisyys voiman kohdistuspisteestä tukipisteeseen on pitkä, mikä mahdollistaa suuren voiman tuottamisen.

Työkalut tieteen leikkauspöydällä!

Käytetään ”vivun periaatetta” leikkaustyökaluna ja tarkastellaan kolmen työkalun rakennetta.

1. Sakset: pitkän matkan juoksija nopeus edellä 🏃

Saksien ominaisuus on, että terä (toimintapiste) on pitkä suhteessa kahvaan (tukipiste). Tämän ansiosta sakset on suunniteltu leikkaamaan paperia jne. yhdellä pitkällä vedolla. Ne suosivat nopeutta ja kattavuutta, mutta eivät ole niin hyviä kovan materiaalin leikkaamisessa.

2. Sivuleikkurit: voimakeskeinen painonnostaja 🏋️‍♂️

Katsokaa sivuleikkureiden rakennetta! Kahva (tukipiste) on pitkä ja terä (toimintapiste) on aivan tuen vieressä. Tämä on suunniteltu maksimoimaan vivun periaate voiman tuottamiseksi! Se on luotettava voimapesä, joka muuntaa pienen voiman valtavaksi leikkausvoimaksi.

3. Kärkipihdit: hienostunut taiteilija ✨

Kärkipihdit ovat erinomaisia tarkkuustyössä, kuten esineiden tarttumisessa ja taivuttamisessa. Niissä on myös leikkuuterä, mutta se ei ole aivan yhtä lähellä tukipistettä kuin sivuleikkureissa. Siksi niiden leikkausvoima on suurempi kuin saksien, mutta ne jäävät hieman jälkeen voimakeskeisistä sivuleikkureista, ollen monipuolisia taitureita.

Vastaukset ja ”työn periaate”

Oletteko jo arvannut? Vivun periaatteen mukaan voiman vahvuus on…

Sivuleikkurit > Kärkipihdit > Sakset

Eli oikea vastaus oli B!

Tämä pulma osoittaa, että ”työkaluilla on omat vahvuutensa” eli ”oikea työkalu oikeaan paikkaan”. Jos yrität pakottaa saksilla kovan rautalangan poikki, terä saattaa vaurioitua ja työkalu rikkoutuu. Työkalun suorituskyvyn maksimoimiseksi on tärkeää ymmärtää sen rakenne tieteellisestä näkökulmasta.

Arjen työkalut ja ”työn periaate” – vastine

Otetaan esille lisää arjen työkaluja! Esimerkiksi kynsileikkuri, joka leikkaa kovat kynnet kevyesti.

Kynsileikkuri on itse asiassa ”kaksoisvipu”, jossa on kaksi vipua yhdistettynä! Tällä kaksoisvivun taialla saadaan aikaan uskomaton voima. Fysiikan maailma on kuitenkin rehellinen. ”Työn periaate” on ehdoton sääntö, eikä oikoteitä ole.

Työ = Voima × Matka

Tämä kaava tarkoittaa, että ”kokonaistyö pysyy samana riippumatta käytetystä työkalusta”. Kynsileikkuri ja sivuleikkurit saavat ”voiton” suuremman voiman muodossa, mutta ”maksavat vastineeksi” suuremman liikeradan kahvan liikkeessä.

Työkalut, jotka luopuvat voimasta saadakseen hallinnan

Mitä sitten ajattelette pinseteistä tai pihtikärkisistä pihteistä?

Yllättävää kyllä, nämä ovat aivan sivuleikkureiden vastakohtia! Etäisyys tukipisteestä toimintapisteeseen on pitkä, joten ne tuottavat vain pienen voiman. Ne siis tietoisesti uhraavat voiman. Tämän tarkoituksena on saada ”etäisyyttä (hallintaa)”. Pienellä kädenliikkeellä kärki liikkuu paljon, mikä mahdollistaa hienon työn tai kuumien esineiden turvallisen nostamisen. Kyseessä on siis todellinen kompromissi!

Salaperäinen yhteys ruuvimeisselin ja ovenkahvan välillä

Viimeinen arvoitus: miksi ruuvimeisseleiden kahvat ovat eri paksuisia?

Vihje: tämä ovenkahva. Miksi ovea varten on erityinen kahva?

Vastaus on, että molemmissa käytetään vivun periaatteen sukulaista, eli ”pyörä-akseli”-mekanismia. Pieni voima, joka pyörittää suurta ympyrää, kuten kahvaa tai nuppia, muunnetaan suureksi voimaksi, joka pyörittää pientä ympyrää, kuten ruuvia tai oven akselia. Siksi paksukahvainen ruuvimeisseli on helpompi kääntää kovien ruuvien kanssa!

Maailma on täynnä tieteellisiä mysteerejä!

Tieteen avulla työkalut tekevät elämästämme rikkaampaa. Seuraavan kerran, kun otat työkalun käteesi, muistathan tämän päivän tarinan. Takuulla tuttu maailma näyttää hauskemmalta ja kirkkaammalta. Mitä tiedettä sinun ympärilläsi piilee? 😉

Yhteystiedot ja pyynnöt

Tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäksi! Olemme koonneet hauskimmat ja helpoimmat tiedekokeet, joita voit tehdä kotona. Etsi rohkeasti lisää!

・Tietoja Ken Kuwakosta: täältä

・Erilaiset pyynnöt (kirjoittaminen, luennot, kokeilupajat, TV-konsultointi, esiintymiset jne.): täältä

・Artikkelipäivitykset ovat saatavilla X:ssä!

Tiede-ideat-kanava jakaa kokeiluvideoita!