1. Ansträngning och belastning:Det finns två huvudkrafter inblandade i ett hjul- och axelsystem - ansträngning (ingångskraft) och belastning (utgångskraft). Ansträngningen appliceras vanligtvis vid kanten eller fälgen på hjulet, medan belastningen appliceras på en punkt närmare axeln.
2. Mekanisk fördel:Hjul- och axelsystemet ger en mekanisk fördel, vilket är förhållandet mellan den utgående kraften (lasten) och den ingående kraften (ansträngningen). Den mekaniska fördelen bestäms av förhållandet mellan hjulets radie (avståndet från mitten till den punkt där kraften appliceras) och axelns radie (avståndet från mitten till den punkt där belastningen appliceras).
3. Vridmomentförstärkning:När en kraft appliceras på kanten av hjulet skapar det ett vridmoment som får hjulet att rotera runt axeln. På grund av den mekaniska fördelen med systemet kan en relativt liten ansträngning som appliceras på hjulet övervinna en mycket större belastning fäst nära axeln. Ju större radie på hjulet jämfört med radie på axeln, desto större vridmomentförstärkning uppnås av systemet.
4. Spakarmsprincip:Hjul- och axelsystemet tillämpar i huvudsak spakprincipen. Ansträngningskraften verkar på en längre hävarm (hjulets radie), medan belastningskraften verkar på en kortare hävarm (axelns radie). Genom att öka längden på den ingående spakarmen (hjulradien) i förhållande till den utgående spakarmen (axelradien), multiplicerar systemet ingångskraften.
5. Effektivitet:Verkliga hjul- och axelsystem är inte perfekt effektiva på grund av friktion mellan rörliga delar, deformation av material och andra faktorer. En del energi går förlorad när systemet fungerar, vilket resulterar i en mekanisk verkningsgrad som vanligtvis är mindre än 100 %.
Exempel på hjul- och axelsystem:
a. Dörrhandtag:Ett dörrhandtag är ett enkelt hjul- och axelsystem där knoppen (hjulet) är fäst vid axeln (axeln) som öppnar eller stänger dörren. Genom att vrida på vredet appliceras en kraft som roterar axeln och öppnar dörren.
b. Ratter:I fordon är ratten ett hjul som är fäst vid en rattstång (axel) som gör att förare kan ändra riktningen på hjulen genom att rotera hjulet.
c. Remskivor:Remskivor är räfflade hjul fästa på ett stöd, som ofta används i lyftsystem. När ett rep lindas runt en remskiva, får en kraft som appliceras i ena änden av repet remskivan att rotera, vilket lyfter upp lasten i den andra änden.
d. Väderkvarnar:Väderkvarnar använder vindens kraft på sina stora blad (hjul) för att rotera axeln som driver maskineriet för att mala spannmål eller generera elektricitet.
Sammanfattningsvis fungerar ett hjul- och axelsystem genom att förstärka den ingående kraften (ansträngningen) genom principen om spakar och vridmomentmultiplikation. Den består av ett hjul som är fäst vid en axel, där den ingående kraften appliceras på hjulet och den utgående kraften genereras närmare axeln. Denna enkla maskin kan användas i olika vardagsföremål och maskiner för att effektivt lyfta, vända eller ändra krafternas riktning.
