W całej historii ludzie opracowali kilka urządzeń, aby ułatwić pracę. Najważniejsze z nich znane są jako „sześć prostych maszyn”: koło i oś, dźwignia, nachylona płaszczyzna, koło pasowe, śruba i klin, chociaż te trzy ostatnie są w rzeczywistości tylko przedłużeniami lub kombinacjami pierwszej trzy.
Ponieważ praca jest definiowana jako siła działająca na obiekt w kierunku ruchu, maszyna ułatwia pracę, wykonując jedną lub więcej z następujących funkcji, według Jefferson Lab:
- przenoszenie siły z jednego miejsca do drugiego,
- zmiana kierunku siły,
- zwiększenie wielkości siły lub
- zwiększenie odległości lub prędkości siły.
Proste maszyny to urządzenia bez części ruchomych lub z bardzo niewielką liczbą elementów, które ułatwiają pracę. Według University of Colorado w Boulder wiele współczesnych złożonych narzędzi to tylko kombinacje lub bardziej skomplikowane formy sześciu prostych maszyn. Na przykład, możemy przymocować długi uchwyt do wału, aby zrobić windę kotwiczną, lub użyć bloku i sprzętu, aby pociągnąć ładunek na rampę. Chociaż te maszyny mogą wydawać się proste, nadal zapewniają nam środki do robienia wielu rzeczy, których nigdy nie moglibyśmy zrobić bez nich.
Koło i oś
Koło jest uważane za jeden z najważniejszych wynalazków w historii świata. „Przed wynalezieniem koła w 3500 r.p.n.e. ludzie byli poważnie ograniczeni ilością rzeczy, które moglibyśmy przetransportować drogą lądową i tym, jak daleko”, napisała Natalie Wolchover w artykule Live Science „Top 10 wynalazków, które zmieniły świat”. „Wózki kołowe ułatwiały rolnictwo i handel, umożliwiając transport towarów na i z rynków, a także zmniejszając obciążenia osób podróżujących na duże odległości”.
Koło znacznie zmniejsza tarcie występujące podczas przesuwania obiektu nad powierzchnią. „Jeśli umieścisz swoją szafkę na kółkach na małym wózku, możesz znacznie zmniejszyć siłę, którą musisz zastosować, aby poruszać szafką ze stałą prędkością”, zgodnie z University of Tennessee.
W swojej książce „Ancient Science: Prehistory-AD 500” (Gareth Stevens, 2010) Charlie Samuels pisze: „W niektórych częściach świata ciężkie przedmioty, takie jak skały i łodzie, poruszano za pomocą rolek. W miarę jak obiekt poruszał się do przodu, rolki zostały zabrane z tyłu i zastąpione z przodu ”. To był pierwszy krok w rozwoju koła.
Wielką innowacją było jednak zamontowanie koła na osi. Koło można przymocować do osi podpartej łożyskiem lub można go swobodnie obracać wokół osi. Doprowadziło to do opracowania wozów, wagonów i rydwanów. Według Samuelsa archeolodzy wykorzystują rozwój koła obracającego się na osi jako wskaźnik względnie zaawansowanej cywilizacji. Najwcześniejsze dowody istnienia kół na osiach pochodzą z około 3200 p.n.e. przez Sumerów. Chińczycy samodzielnie wynaleźli koło w 2800 roku p.n.e.
Siła mnożników
Oprócz zmniejszenia tarcia koło i oś mogą również służyć jako mnożnik siły, zgodnie z Science Quest z Wiley. Jeśli koło jest przymocowane do osi, a siła obraca koło, siła obrotowa lub moment obrotowy na oś są znacznie większe niż siła przyłożona do obręczy koła. Alternatywnie do osi można przymocować długi uchwyt, aby uzyskać podobny efekt.
Pozostałe pięć maszyn pomaga ludziom zwiększyć i / lub przekierować siłę przyłożoną do obiektu. W swojej książce „Moving Big Things” (Najwyższy czas, 2009) Janet L. Kolodner i jej współautorzy piszą: „Maszyny zapewniają mechaniczną przewagę przy poruszaniu się obiektów. Przewagą mechaniczną jest kompromis między siłą a odległością. „ W poniższej dyskusji na temat prostych maszyn, które zwiększają siłę przykładaną do ich wejścia, zaniedbamy siłę tarcia, ponieważ w większości tych przypadków siła tarcia jest bardzo mała w porównaniu z zaangażowanymi siłami wejściowymi i wyjściowymi.
Kiedy siła przyłożona jest na pewną odległość, wytwarza pracę. Matematycznie wyraża się to jako W = F × D. Na przykład, aby podnieść obiekt, musimy wykonać pracę, aby pokonać siłę grawitacji i przesunąć obiekt w górę. Aby podnieść obiekt, który jest dwa razy cięższy, potrzeba dwukrotnie więcej pracy, aby podnieść go na tę samą odległość. Dwa razy więcej pracy wymaga podniesienie tego samego obiektu dwukrotnie. Jak wskazano w matematyce, główną zaletą maszyn jest to, że pozwalają nam wykonywać tę samą ilość pracy, przykładając mniejszą siłę na większą odległość.
Dźwignia
„Daj mi dźwignię i miejsce, aby stać, a ja poruszę światem”. To chełpliwe twierdzenie przypisuje się greckiemu filozofowi, matematykowi i wynalazcy Archimedesowi z trzeciego wieku. Choć może to być trochę przesada, wyraża siłę dźwigni, która przynajmniej w przenośni porusza świat.
Geniusz Archimedesa polegał na tym, że aby osiągnąć tę samą ilość lub pracę, można było dokonać kompromisu między siłą a odległością za pomocą dźwigni. Jego prawo dźwigni stwierdza: „Magnitudy są w równowadze w odległościach wzajemnie proporcjonalnych do ich ciężarów”, zgodnie z „Archimedes in the 21st Century”, wirtualna książka Chrisa Rorresa z New York University.
Dźwignia składa się z długiej belki i punktu podparcia lub czopa. Zaleta mechaniczna dźwigni zależy od stosunku długości belki po obu stronach punktu podparcia.
Powiedzmy, że chcemy podnieść 100 funtów. (45 kilogramów) waga 2 stopy (61 centymetrów) nad ziemią. Możemy wywierać 100 funtów. siły na ciężar w kierunku do góry na odległość 2 stóp i wykonaliśmy 200 funtów stóp (271 niutonometrów) pracy. Gdyby jednak zastosować dźwignię o długości 9 stóp (30 stóp) z jednym końcem pod ciężarem i podparciem stopy o wysokości 30 stóp (30 stóp) umieszczonym pod belką w odległości 10 stóp (3 m) od ciężaru, mielibyśmy tylko naciskać na drugim końcu z 50 funtami. (23 kg) siły do podniesienia ciężaru. Musielibyśmy jednak przesunąć koniec dźwigni w dół o 4 stopy (1,2 m), aby podnieść ciężar o 2 stopy. Dokonaliśmy kompromisu, w którym podwoiliśmy odległość, którą musieliśmy przesunąć, ale zmniejszyliśmy potrzebną siłę o połowę, aby wykonać tę samą ilość pracy.
Równia pochyła
Pochyła płaszczyzna jest po prostu płaską powierzchnią uniesioną pod kątem, jak pochylnia. Według Boba Williamsa, profesora na wydziale inżynierii mechanicznej w Russ College of Engineering and Technology na Ohio University, pochyły samolot jest sposobem podnoszenia ładunku, który byłby zbyt ciężki, aby podnieść go prosto w górę. Kąt (nachylenie pochyłej płaszczyzny) określa, ile wysiłku potrzeba do podniesienia ciężaru. Im bardziej stroma rampa, tym więcej wysiłku jest wymagane. Oznacza to, że jeśli podnosimy nasze 100 funtów. ważąc 2 stopy, zwijając je na 4-stopową rampę, zmniejszamy potrzebną siłę o połowę, podwajając jednocześnie odległość, którą należy przesunąć. Gdybyśmy użyli rampy o długości 8 stóp (2,4 m), moglibyśmy zmniejszyć potrzebną siłę do zaledwie 25 funtów. (11,3 kg).
Krążek linowy
Jeśli chcemy podnieść to samo 100 funtów. za pomocą liny możemy przymocować koło pasowe do belki powyżej ciężaru. To pozwoliłoby nam pociągnąć w dół zamiast w górę na linie, ale wciąż wymaga 100 funtów. siły. Jeśli jednak mielibyśmy użyć dwóch kół pasowych - jednego przymocowanego do górnej belki, a drugiego przymocowanego do ciężaru - i mielibyśmy przymocować jeden koniec liny do belki, poprowadzić ją przez koło pasowe na ciężarze, a następnie przez koło pasowe na belce, musielibyśmy tylko pociągnąć linę z 50 funtami. siły do podniesienia ciężaru, chociaż musielibyśmy pociągnąć linę 4 stopy, aby podnieść ciężar 2 stopy. Ponownie wymieniliśmy zwiększoną odległość na zmniejszoną siłę.
Jeśli chcemy użyć jeszcze mniejszej siły na jeszcze większym dystansie, możemy użyć bloku i sprzętu. Zgodnie z materiałami kursowymi z University of South Carolina: „Blok i sprzęt to kombinacja kół pasowych, które zmniejszają siłę potrzebną do podniesienia czegoś. Kompromis polega na tym, że blok i sprzęt wymagają dłuższej długości aby przenieść coś o tę samą odległość. ”
Tak proste jak koła pasowe, wciąż znajdują zastosowanie w najbardziej zaawansowanych nowych maszynach. Na przykład Hangprinter, drukarka 3D, która może budować przedmioty wielkości mebli, wykorzystuje system drutów i sterowanych komputerowo kół pasowych przymocowanych do ścian, podłogi i sufitu.
Wkręt
„Śruba jest zasadniczo długą płaszczyzną nachylenia owiniętą wokół wału, więc do jej mechanicznej przewagi można podchodzić w ten sam sposób, co pochyłość”, według HyperPhysics, strony internetowej wyprodukowanej przez Georgia State University. Wiele urządzeń używa śrub do wywierania siły, która jest znacznie większa niż siła użyta do obrócenia śruby. Urządzenia te obejmują imadła stołowe i nakrętki na kołach samochodowych. Uzyskują przewagę mechaniczną nie tylko z samej śruby, ale także, w wielu przypadkach, z dźwigni długiego uchwytu używanego do obracania śruby.
Klin
Według New Mexico Institute of Mining and Technology: „Kliny poruszają nachylone płaszczyzny, które są napędzane pod ładunkiem w celu podniesienia lub w ładunek w celu podziału lub rozdzielenia”. Dłuższy, cieńszy klin daje większą przewagę mechaniczną niż krótszy, szerszy klin, ale klin robi coś innego: główną funkcją klina jest zmiana kierunku siły wejściowej. Na przykład, jeśli chcemy rozłupać kłodę, możemy z wielką siłą wbić klin w dół do końca kłody za pomocą młota, a klin przekieruje tę siłę na zewnątrz, powodując pęknięcie drewna. Innym przykładem jest ogranicznik drzwi, w którym siła zastosowana do popchnięcia go pod krawędź drzwi jest przenoszona w dół, co powoduje siłę tarcia, która nie ślizga się po podłodze.
Znajdź zabawne zajęcia z prostymi maszynami w Muzeum Nauki i Przemysłu w Chicago.
