Tuettu ripustus

Tarkastellaan usein käytettyä mekaanista toteutusta nimeltään tuettu ripustus. Ideana on se, että seinästä tai muusta pystysuntaisesta rakenteesta halutaan jonkun massiivisen kappaleen "roikkuvan" jonkin matkaa seinästä kauempana. Kappale voi joko roikkua lankojen/vaijerien varassa, tai olla tähän ulkonevaan tukipisteeseen kiinteästi kiinnitetty. Tyypillinen esimerkki tuetusta ripustuksesta on kuvan kaltainen kyltti.[br][br]Toteutus on yksinkertainen, mutta valottaa vektorien ja voimien kautta ajattelua hyvin. Katso kuvaa alla. Punainen, suoraan alaspäin osoittava vektori kuvastaa nyt ripustetun kappaleen (kyltin) painoa. Kaksi metallista tankoa, joista toinen on vaakasuora, ja toinen hieman viistoon asennettu, kannattelevat kappaleen painoa. Mutta miten? On mielenkiintoista havaita, että toiseen metallitankoon muodostuu vetoa, toiseen puristusta.[br][br]Kun kyltin paino painaa alaspäin sitä pistettä, jossa kaikki nuolet kohtaavat, muodostuu ylempään metallitankoon vetoa. Tämä tarkoittaa sitä, että ellei ylempää tankoa olisi, alempi tanko pyrkisi taipumaan alas. Tälläisessä rasituksessa metalli helposti taipuu, ja kovat rakenteet (kuten betoni) helposti katkeaisivat. Metallirakenteita ei kuitenkaan ole helppo venyttää, joten sen takia ripustuksessa on ylempi tanko. Alemman tangon ei tarvitse kestää rasitusta joka pyrkisi taivuttamaan sitä, koska ylempi tanko tukee ripustusta ottamalla tämän voiman itseensä vetona. [br][br]Ainoa voima, joka alemmalle tangolle nyt jää, on puristus. Jos alempaa tankoa ei olisi, ylempi tanko pyrkisi taipumaan alas, ja juuri tätä taipumista on ehkäisemässä alempi tanko. Sininen vektori kuvastaa sitä, että alempi tanko saa kasaan puristavan rasituksen kannettavakseen, ja tämän voiman vastavoimaksi alempi tanko tuottaa sinisellä nuolella merkityn voiman, joka työntää ulointa pistettä oikealle.[br][br]Koko tapauksen voimat on yllättävän suoraviivaista laskea, kun huomaamme, että kokonaisvoima on nolla. Muistetaan, että kokonaisvoiman pitää olla nolla aina silloin, kun systeemissä mikään ei liiku. Kuvassa yllä onkin esitetty niin sanottu "voimakolmio", joka alleviivaa tätä ajatusta. Kun systeemin kaikki voimat piirretään kuvan tyyliin kolmioksi, voidaan olla varmoja voimien nollaantumisesta, mikäli pääsemme kaikkia vektoreita myöten siihen alkupisteeseen josta lähdettiin.[br][br]Tehtävä:[br]oletetaan kyltin painavan 30 kilogrammaa. Ripustuksessa näkyvän kolmion mittasuhteet ovat 1:3. Laske systeemissä vaikuttavat voimat.[br][br][br][br]
RATKAISU:[br][br]Kyltin paino [math]\Large F = 30 kg \cdot 9.81\frac{m}{s^2} = 294.30 N [/math].[br][br][br]Kolmion mittasuhteet ovat 1:3. Sinisen ja vihreän vektorin väliin jäävä kulma voidaan siis laskea[br][br][math]\Large[br]\tan \alpha = \frac{1}{3}[br][/math][br][math]\Large[br]\alpha = \tan^{-1} \frac{1}{3} = 18.435^\circ[br][/math][br][br]Nyt, kun tunnemme kolmion kulman, ja yhden kateetin pituuden, voisimme laskea muut voimat perustrigonometrialla. On kuitenkin helpompikin tapa. Jos punainen vektori on [math]\Large 294.30 N [/math], ja sininen vektori on kolme kertaa niin pitkä, on sininen vektori silloin pituudeltaan [br][math]\Large 3 \cdot 294.30 N =882.90 N [/math].[br][br]Vihreä vektori voidaan nyt laskea [br][math]\Large[br]F_{vihrea} = \sqrt{ 294.30^2 + 882.90^2 } = 930.66[br] [/math].[br][br][br][br][br]

Information: Tuettu ripustus