Kun vaihdat kevyemmälle vaihteelle mäessä, olet fyysikko! Polkupyörä ja työn periaate
Olen Ken Kuwako, tiedekouluttaja. Joka päivä on koe.
Olet jyrkässä ylämäessä, hengitys salpautuu. ”En jaksa enää…” Juuri kun olet luovuttamassa, napsautat vasemman käden vaihdevipua. Ja kas! Hetki sitten tuntunut toivoton polkimien raskaus katoaa, ja meno kevenee kuin taikaiskusta! Olet varmasti kokenut tämän ”ihmeen”, eikö totta?
Mutta oletko koskaan miettinyt, miksi? Polkimista tuli uskomattoman kevyet, mutta nyt sinun täytyy polkea kuin hullu päästäksesi eteenpäin… Ja toisinpäin: tasaisella tiellä, kun vaihdat ”raskaalle vaihteelle”, polkimet tuntuvat painavilta, mutta yhdellä polkaisulla pyörä singahtaa eteenpäin.
Tämä ero ei ole vain tunne. Se selitetään nerokkaasti fysiikan suuren lain, ”työn periaatteen” avulla, joka on kätketty jokapäiväiseen elämäämme. Tässä artikkelissa paljastamme tieteellisen salaisuuden, joka piilee aivan tavallisen pyöräsi vaihteissa.
Mitä ”työ” tarkoittaa tieteen maailmassa?
Tarkastellaan ensin ”työn” määritelmää fysiikassa. Se on hieman eri asia kuin ”työn tekeminen” toimistossa. Tieteen maailmassa ”työ” on määrä, joka lasketaan kaavalla: ”esineeseen kohdistettu voima × matka voiman suuntaan”.
Esimerkiksi teko, jossa ”siirretään polkupyörä (ja sinä itse) paikasta A mäen päällä olevaan paikkaan B,” on juuri tämä fyysinen ”työ”. Ja mikä tärkeintä: riippumatta siitä, mitä keinoa käytät, kokonaistyömäärä, joka tarvitaan siirtymiseen paikasta A paikkaan B, pysyy samana.
Fuskaaminen ei onnistu! Työn periaate – Universumin sääntö
Tässä astuu esiin ”työn periaate”.
【Työn periaate】 Työn kokonaismäärä (voima × matka), joka tarvitaan tehtävän suorittamiseen, ei muutu, käytettiinpä työkalua tai ei. Työkalu on ”vaihtolaite”, joka pienentää ”voimaa” pidentämällä ”matkaa”, tai päinvastoin.
Ajattelet varmaan: ”Eikö työkalujen pitäisi tehdä asioista helpompia?” Kyllä, työkalut tekevät elämästämme ”mukavampaa”, mutta ne eivät anna meidän ”huijata” fysiikan lakeja.
Polkupyörän vaihteet (rattaat) ovat juuri tällainen ”työkalu”. Tarvittava ”työ” (mäen ylös kiipeäminen) on ennalta määrätty. Vaihteet vaihtavat työn suoritustapaa ”voiman” ja ”matkan” välillä.
| Vaihteen tila | Vaadittava ”voima” (raskaus) polkimissa | Poljettu ”matka” (kierrokset) | Työn suoritustapa |
|---|---|---|---|
| Kevyt vaihde (vaihde 1) | Pieni (Helppo!) | Pitkä (Paljon polkemista) | Vähennät ”voimaa”, mutta teet enemmän ”matkan” eteen työtä |
| Raskas vaihde | Suuri (Raskas!) | Lyhyt (Vähemmän kierroksia) | Vähennät ”matkaa”, mutta teet enemmän ”voiman” eteen työtä |
Kevyt vaihde (vaihde 1) paljastuu: Vältät voimaa, tienaat kierroksilla
Miksi kevyt vaihde pelastaa meidät niissä helvetillisissä ylämäissä? Jyrkkää mäkeä kiivetessä tarvitaan enemmän ”voimaa” kuin tasaisella (painovoiman vastustamiseksi). Samalla ”raskaalla vaihteella” polkeminen kuin tasaisella on yksinkertaisesti mahdotonta.
Kun valitset ”kevyen vaihteen”, teet fysiikan näkökulmasta seuraavan ilmoituksen…
”Vähennän polkemiseen tarvittavaa ’voimaa’ (raskautta), mutta lisään sen sijaan polkemieni ’matkaa’ (kierroksia)!”
Se on kuin ilmoitus. Nerokas vaihtokauppa, joka perustuu ”työn periaatteeseen”.
Tuloksena on:
- Koska voimaa pienennetään, voit polkea mäessäkin (tuntuu helpolta).
- Mutta vastineeksi matka (kierrokset) pitenee, joten sinun täytyy polkea paljon (eteneminen tuntuu hitaalta).
Vaihteiden mekaniikka: Montako kierrosta rengas pyörähtää yhdellä polkaisulla?
Miten tämä ”voiman ja matkan vaihtokauppa” konkreettisesti tapahtuu? Salaisuus piilee koon suhteessa (välityssuhteessa), joka on eturattaan (polkimen puolella) ja takarattaan (renkaan puolella) välillä.
- Kevyt vaihde (mäkeen)
- Eturatas (polkimen puoli) on pieni, ja
- Takaratas (renkaan puoli) on suuri.
- Tällä yhdistelmällä takarengas pyörähtää vain vähän (esim. 0,8 kierrosta), vaikka polkimen pyöräyttäisi kerran.
- Siksi eteenpäin kuljettu matka yhdellä polkaisulla on lyhyt. Mutta vastineeksi tarvittava ”voima” on pieni, koska rengasta pyöritetään ”vain vähän”.
- Raskas vaihde (nopeuteen)
- Eturatas (polkimen puoli) on suuri, ja
- Takaratas (renkaan puoli) on pieni.
- Tällä yhdistelmällä takarengas pyörähtää paljon (esim. 3 kierrosta) yhdellä polkimen pyöräytyksellä.
- Siksi pyörä singahtaa eteenpäin yhdellä polkaisulla. Mutta vastineeksi tarvitaan suuri ”voima”, koska rengasta pyöritetään ”paljon”.
Vaihteisto on nerokas keksintö, joka muuntaa ovelasti syöttämämme ”voiman” ja ”matkan” rattaiden yhdistelmällä, auttaen meitä saavuttamaan ”työn” määrän päämäärään asti.
Olet käyttänyt fysiikan lakeja jo aiemmin!
Kun napsautat pyöräsi vaihdetta, olet alitajuisesti hyödyntänyt ”työn periaatteen” fysiikan lakia, valiten optimaalisen tasapainon sen hetken vaatiman ”voiman” ja ”matkan” välillä. Kevyen vaihteen valitseminen mäessä ei ollut pelkkä tunne, vaan erittäin tieteellinen valinta, jolla säästät voimiasi ja suoritat ”työn” fiksummin! Kun tiedät, kuinka paljon tiedettä on kätketty jokapäiväisiin asioihin, eikö tuttu koulumatkakin näytä nyt erilaiselta?
Ota yhteyttä / Pyyntöjen tekeminen
Tuo tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäksi arkeasi! Olemme koonneet hauskan kotiin soveltuvia kokeita ja niiden niksejä selkeästi. Kannattaa etsiä niitä!
- Tiedevihko on nyt kirjana. Lisätietoja täältä
- Tietoja ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä
- Erilaiset pyynnöt (kirjoittaminen, luennot, kokeilutunnit, TV-konsultaatio/esiintyminen jne.) täältä
- Artikkelipäivitykset lähetetään X:ssä!
Tieteen niksit -kanavalla on kokeiluvideoita!
