Rudolf Cole
0 
861
102
W całej historii ludzie opracowali kilka urządzeń ułatwiających pracę. Najważniejsze z nich są znane jako „sześć prostych maszyn”: koło i oś, dźwignia, płaszczyzna nachylona, koło pasowe, śruba i klin, chociaż te ostatnie trzy są w rzeczywistości tylko przedłużeniami lub kombinacjami pierwszej trzy.
Ponieważ praca jest definiowana jako siła działająca na obiekt w kierunku ruchu, zgodnie z Jefferson Lab, maszyna ułatwia pracę, wykonując jedną lub więcej z następujących funkcji:
- przeniesienie siły z jednego miejsca na drugie,
- zmiana kierunku siły,
- zwiększenie wielkości siły lub
- zwiększenie odległości lub prędkości siły.
Proste maszyny to urządzenia bez ruchomych części lub z niewielką ich liczbą, które ułatwiają pracę. Według University of Colorado w Boulder, wiele z dzisiejszych złożonych narzędzi to po prostu kombinacje lub bardziej skomplikowane formy sześciu prostych maszyn. Na przykład możemy przymocować długą rączkę do wału, aby zrobić windę kotwiczną lub użyć bloku i sprzętu do wciągnięcia ładunku na rampę. Chociaż te maszyny mogą wydawać się proste, nadal zapewniają nam środki do robienia wielu rzeczy, których bez nich nie bylibyśmy w stanie zrobić.
Koło i oś
Koło uważane jest za jeden z najważniejszych wynalazków w historii świata. „Przed wynalezieniem koła w 3500 roku p.n.e. ludzie byli poważnie ograniczeni co do ilości rzeczy, które moglibyśmy transportować lądem i jak daleko” - napisała Natalie Wolchover w artykule „10 najlepszych wynalazków, które zmieniły świat”. „Wózki kołowe ułatwiały rolnictwo i handel, umożliwiając transport towarów na targi iz powrotem, a także zmniejszając obciążenia osób podróżujących na duże odległości”.
Koło znacznie zmniejsza tarcie napotykane, gdy obiekt jest przesuwany po powierzchni. „Jeśli umieścisz szafkę na akta na małym wózku z kółkami, możesz znacznie zmniejszyć siłę potrzebną do przemieszczania szafki ze stałą prędkością” - twierdzi University of Tennessee.
W swojej książce „Ancient Science: Prehistory-AD 500” (Gareth Stevens, 2010) Charlie Samuels pisze: „W niektórych częściach świata ciężkie obiekty, takie jak skały i łodzie, były przenoszone za pomocą rolek do bali. Gdy obiekt przesuwał się do przodu, rolki zostały zabrane z tyłu i zastąpione z przodu ”. To był pierwszy krok w rozwoju koła.
Jednak wielką innowacją było zamontowanie koła na osi. Koło można było przymocować do osi wspartej na łożysku lub można było je swobodnie obracać wokół osi. Doprowadziło to do rozwoju wozów, wagonów i rydwanów. Według Samuelsa, archeolodzy wykorzystują opracowanie koła, które obraca się na osi, jako wskaźnik stosunkowo zaawansowanej cywilizacji. Najwcześniejsze dowody na istnienie kół na osiach pochodzą z około 3200 roku p.n.e. przez Sumerów. Chińczycy niezależnie wynaleźli koło w 2800 roku p.n.e. [Powiązane: Dlaczego wynalezienie koła zajęło tak dużo czasu]
Mnożniki siły
Według Science Quest z Wiley, oprócz zmniejszenia tarcia, koło i oś mogą również służyć jako mnożnik siły. Jeśli koło jest przymocowane do osi, a do obracania koła używana jest siła, siła obrotowa lub moment obrotowy na osi jest znacznie większa 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” (It's about time, 2009) Janet L. Kolodner i jej współautorzy piszą: „Maszyny zapewniają przewagę mechaniczną, pomagając w poruszaniu obiektów. Przewaga mechaniczna to kompromis między siłą a odległością. " W poniższej dyskusji na temat prostych maszyn, które zwiększają siłę przyłożoną do ich wkładu, zaniedbamy siłę tarcia, ponieważ w większości tych przypadków siła tarcia jest bardzo mała w porównaniu z zaangażowanymi siłami wejściowymi i wyjściowymi.
Kiedy siła jest przyłożona na odległość, wytwarza pracę. Matematycznie jest to wyrażone jako W = F × D. Na przykład, aby podnieść obiekt, musimy wykonać pracę, aby pokonać siłę grawitacji i przesunąć obiekt w górę. Aby podnieść dwukrotnie cięższy przedmiot, podniesienie go na tę samą odległość wymaga dwa razy więcej pracy. Podniesienie tego samego przedmiotu dwa razy wyżej również zajmuje dwa razy więcej pracy. Jak wynika z matematyki, główną zaletą maszyn jest to, że pozwalają nam wykonać taką samą ilość pracy, przykładając mniejszą siłę na większą odległość.
Dźwignia
„Daj mi dźwignię i miejsce do stania, a poruszę świat”. To chełpliwe twierdzenie przypisuje się greckiemu filozofowi, matematykowi i wynalazcy Archimedesowi z III wieku. Choć może to być trochę przesada, to jednak wyraża siłę dźwigni, która, przynajmniej w przenośni, porusza świat.
Geniusz Archimedesa polegał na uświadomieniu sobie, że aby wykonać tę samą ilość lub pracę, można dokonać kompromisu między siłą a odległością za pomocą dźwigni. Jego Law of the Lever stwierdza: „Magnitudes są w równowadze w odległościach odwrotnie proporcjonalnych do ich wagi”, zgodnie z „Archimedes in the 21st Century”, wirtualnej książce autorstwa Chrisa Rorresa z New York University.
Dźwignia składa się z długiej belki i punktu podparcia lub osi. Mechaniczna zaleta dźwigni zależy od stosunku długości belki po obu stronach punktu podparcia.
Na przykład, powiedzmy, że chcemy podnieść 100 funtów. (45 kilogramów) waga 2 stopy (61 centymetrów) nad ziemią. Możemy wcisnąć 100 funtów. siły działającej na ciężar w kierunku do góry na odległość 2 stóp i wykonaliśmy 200 funtostopów (271 niutonometrów) pracy. Gdybyśmy jednak mieli użyć dźwigni o długości 30 stóp (9 m) z jednym końcem pod ciężarem i punktem podparcia o wysokości 1 stopy (30,5 cm) umieszczonym pod belką w odległości 3 m od ciężaru, mielibyśmy tylko naciskać na drugi koniec z 50 funtami. (23 kg) siły do podniesienia ciężaru. Jednak musielibyśmy pchnąć koniec dźwigni w dół o 4 stopy (1,2 m), aby podnieść ciężar na 2 stopy. Dokonaliśmy kompromisu, w którym podwoiliśmy odległość, jaką musieliśmy przesunąć dźwignię, ale zmniejszyliśmy potrzebną siłę o połowę, aby wykonać taką samą pracę.
Równia pochyła
Nachylona płaszczyzna to po prostu płaska powierzchnia uniesiona pod kątem, jak rampa. Według Boba Williamsa, profesora na wydziale inżynierii mechanicznej w Russ College of Engineering and Technology na Ohio University, nachylona płaszczyzna jest sposobem podnoszenia ładunku, który byłby zbyt ciężki, aby go podnieść. Kąt (stromość nachylonej płaszczyzny) określa, ile wysiłku potrzeba do podniesienia ciężaru. Im bardziej stroma rampa, tym większy wysiłek. Oznacza to, że jeśli podnosimy nasze 100 funtów. ciężar 2 stopy, zwijając go na 4-stopową rampę, zmniejszamy potrzebną siłę o połowę, podwajając jednocześnie odległość, na jaką musi zostać przeniesiona. Gdybyśmy mieli użyć rampy o długości 8 stóp (2,4 m), moglibyśmy zmniejszyć potrzebną siłę do zaledwie 25 funtów. (11,3 kg).
Krążek linowy
Jeśli chcemy podnieść te same 100 funtów. ciężar liną, możemy przymocować bloczek do belki powyżej ciężaru. Pozwoliłoby nam to pociągnąć w dół zamiast na linie, ale nadal wymaga to 100 funtów. siły. Gdybyśmy jednak mieli użyć dwóch bloczków - jednego przymocowanego do górnej belki, a drugiego przymocowanego do ciężarka - i jeden koniec liny przymocować do belki, przełożyć przez bloczek na obciążniku, a następnie przez koło pasowe na belce musielibyśmy ciągnąć tylko linę o wadze 50 funtów. siły, aby podnieść ciężar, chociaż musielibyśmy ciągnąć linę 4 stopy, aby podnieść ciężar 2 stopy. Ponownie zamieniliśmy zwiększony dystans na mniejszą siłę.
Jeśli chcemy użyć jeszcze mniejszej siły na jeszcze większej odległości, możemy użyć bloku i wślizgu. Zgodnie z materiałami kursu z University of South Carolina: „Blok i sprzęt to połączenie kół pasowych, które zmniejsza siłę potrzebną do podniesienia czegoś. Kompromis polega na tym, że blok i sprzęt wymaga dłuższej liny. przenieść coś na tę samą odległość ”.
Tak proste, jak koła pasowe, wciąż znajdują zastosowanie w najbardziej zaawansowanych nowych maszynach. Na przykład Hangprinter, drukarka 3D, która może budować obiekty wielkości mebli, wykorzystuje system drutów i sterowanych komputerowo kół pasowych przymocowanych do ścian, podłogi i sufitu.
Wkręt
„Śruba to zasadniczo długa, nachylona płaszczyzna owinięta wokół wału, więc jej mechaniczną przewagę można podchodzić w taki sam sposób, jak nachylenie” - podaje HyperPhysics, strona internetowa stworzona przez Georgia State University. Wiele urządzeń używa śrub do wywierania siły, która jest znacznie większa niż siła używana do obracania śruby. Urządzenia te obejmują imadła stołowe i nakrętki mocujące na kołach samochodowych. Zyskują mechaniczną przewagę nie tylko dzięki samej śrubie, ale w wielu przypadkach także dzięki dźwigni długiej rączki służącej do obracania śruby.
Klin
Według Instytutu Górnictwa i Technologii Nowego Meksyku: „Kliny to poruszające się pochyłe samoloty, które są wbijane pod ładunek w celu podniesienia lub w celu rozłupania lub oddzielenia ładunku”. Dłuższy, cieńszy klin zapewnia większą przewagę mechaniczną niż krótszy, szerszy klin, ale klin ma inne znaczenie: Główną funkcją klina jest zmiana kierunku siły wejściowej. Na przykład, jeśli chcemy rozłupać kłodę, możemy wbić klin w dół w koniec kłody z dużą siłą za pomocą młota, a klin przekieruje tę siłę na zewnątrz, powodując pęknięcie drewna. Innym przykładem jest odbojnik, w którym siła użyta do popchnięcia go pod krawędź drzwi jest przenoszona w dół, powodując siłę tarcia, która jest odporna na przesuwanie się po podłodze.
Dodatkowe raporty Charlesa Q. Choi, współautora
Dodatkowe zasoby
- John H. Lienhard, emerytowany profesor inżynierii mechanicznej i historii na University of Houston, „jeszcze raz przygląda się wynalezieniu koła”.
- Centrum Nauki i Przemysłu w Columbus w stanie Ohio oferuje interaktywne wyjaśnienie prostych maszyn.
- HyperPhysics, witryna internetowa stworzona przez Georgia State University, zilustrowała wyjaśnienia sześciu prostych maszyn.
Znajdź zabawne zajęcia z wykorzystaniem prostych maszyn w Muzeum Nauki i Przemysłu w Chicago.