6 eenvoudige Machines: het werk gemakkelijker maken

in de loop van de geschiedenis hebben mensen verschillende apparaten ontwikkeld om het werk gemakkelijker te maken. De meest opvallende van deze machines staan bekend als de “zes eenvoudige machines”: het wiel en de as, de hefboom, het hellende vlak, de katrol, de schroef en de wig, hoewel de laatste drie zijn eigenlijk gewoon uitbreidingen of combinaties van de eerste drie.,

omdat werk wordt gedefinieerd als een kracht die op een object in de bewegingsrichting inwerkt, maakt een machine het werk gemakkelijker uit te voeren door een of meer van de volgende functies te vervullen, volgens Jefferson Lab:

• een kracht overbrengen van de ene plaats naar de andere,
• de richting van een kracht veranderen,
• de grootte van een kracht verhogen, of
• de afstand of snelheid van een kracht verhogen.

eenvoudige machines zijn apparaten met geen of zeer weinig bewegende delen die het werk gemakkelijker maken., Veel van de huidige complexe gereedschappen zijn slechts combinaties of meer ingewikkelde vormen van de zes eenvoudige machines, volgens de Universiteit van Colorado in Boulder. We kunnen bijvoorbeeld een lange handgreep aan een schacht bevestigen om een ankerlier te maken, of een blok en tackle gebruiken om een last op een helling te trekken. Hoewel deze machines eenvoudig lijken, blijven ze ons voorzien van de middelen om veel dingen te doen die we nooit zouden kunnen doen zonder hen.

wiel en as

het wiel wordt beschouwd als een van de belangrijkste uitvindingen in de geschiedenis van de wereld. “Voor de uitvinding van het wiel in 3500 B. C.,, mensen waren ernstig beperkt in hoeveel spullen we konden transporteren over land, en hoe ver,” schreef Natalie Wolchover in het Live Science artikel “Top 10 uitvindingen die de wereld veranderd.””Wielen karren vergemakkelijkt landbouw en handel door het mogelijk maken van het vervoer van goederen van en naar markten, evenals het verlichten van de lasten van mensen reizen grote afstanden.”

het wiel vermindert sterk de wrijving die optreedt wanneer een object over een oppervlak wordt bewogen., “Als je je archiefkast op een klein karretje met wielen zet, kun je de kracht die je nodig hebt om de kast met constante snelheid te verplaatsen sterk verminderen,” aldus de Universiteit van Tennessee.in zijn boek “Ancient Science: Prehistory-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010) schrijft Charlie Samuels: “in parts of the world, heavy objects such as rocks and boats were moved using log rollers. Terwijl het object naar voren bewoog, werden rollen van achteren genomen en voorin vervangen.”Dit was de eerste stap in de ontwikkeling van het wiel.,

De grote innovatie was echter het monteren van een wiel op een as. Het wiel kon worden bevestigd aan een as die werd ondersteund door een lager, of het kon worden gemaakt om vrij rond de as te draaien. Dit leidde tot de ontwikkeling van karren, wagons en wagens. Volgens Samuels gebruiken archeologen de ontwikkeling van een wiel dat op een as draait als indicator van een relatief geavanceerde beschaving. Het vroegste bewijs van wielen op Assen is van ongeveer 3200 voor Christus door de Sumeriërs. De Chinezen vonden zelfstandig het wiel uit in 2800 B. C.,

Krachtvermenigvuldigers

naast het verminderen van wrijving kunnen een wiel en een as ook dienen als krachtvermenigvuldiger, volgens Science Quest van Wiley. Als een wiel aan een as is bevestigd en een kracht wordt gebruikt om het wiel te draaien, is de rotatiekracht of het koppel op de AS veel groter dan de kracht die op de velg van het wiel wordt uitgeoefend. Als alternatief kan een lange handgreep aan de as worden bevestigd om een vergelijkbaar effect te bereiken.

de andere vijf machines helpen mensen om de kracht die op een object wordt uitgeoefend te vergroten en/of om te leiden., In hun boek “Moving Big Things” (It”s about time, 2009) schrijven Janet L. Kolodner en haar coauteurs: “Machines bieden mechanische voordelen om te helpen bij het verplaatsen van objecten. Mechanisch voordeel is de afweging tussen kracht en afstand.”In de volgende bespreking van de eenvoudige machines die de kracht die wordt toegepast op hun input verhogen, zullen we de kracht van de wrijving verwaarlozen, omdat in de meeste van deze gevallen, de wrijvingskracht is zeer klein in vergelijking met de input en output krachten betrokken.

wanneer een kracht wordt uitgeoefend over een afstand, produceert het werk., Wiskundig wordt dit uitgedrukt als W = F × D. bijvoorbeeld, om een object op te tillen, moeten we werken om de kracht als gevolg van zwaartekracht te overwinnen en het object naar boven te bewegen. Om een object dat twee keer zo zwaar is op te tillen, is het twee keer zoveel werk nodig om het op dezelfde afstand op te tillen. Het kost ook twee keer zoveel werk om hetzelfde object twee keer zo ver op te tillen. Zoals aangegeven door de wiskunde, is het belangrijkste voordeel van machines dat ze ons in staat stellen om dezelfde hoeveelheid werk te doen door een kleinere hoeveelheid kracht over een grotere afstand uit te oefenen.

hefboom

“geef me een hefboom en een plaats om te staan, en Ik zal de wereld verplaatsen.”Deze opschepperij wordt toegeschreven aan de derde-eeuwse Griekse filosoof, wiskundige en uitvinder Archimedes. Hoewel het misschien een beetje overdreven is, drukt het de kracht van hefboomwerking uit, die, op zijn minst figuurlijk, de wereld beweegt.,

Het genie van Archimedes was om te beseffen dat om dezelfde hoeveelheid of hetzelfde werk te bereiken, men een trade-off kon maken tussen kracht en afstand met behulp van een hefboom. Zijn Wet van de hefboom stelt, “Magnitudes zijn in evenwicht op afstanden wederkerig proportioneel aan hun gewichten, “volgens” Archimedes in the 21st Century,” een virtueel boek van Chris Rorres aan de New York University.

de hefboom bestaat uit een lange bundel en een steunpunt of scharnier. Het mechanische voordeel van de hendel hangt af van de verhouding van de lengtes van de balk aan weerszijden van het steunpunt.,

bijvoorbeeld, stel dat we een 100-lb willen optillen. (45 kilogram) gewicht 61 centimeter van de grond. We kunnen 100 pond uit oefenen. van kracht op het gewicht in de opwaartse richting voor een afstand van 2 voet, en we hebben 200 pond-voet (271 Newton-meter) van het werk gedaan. Echter, als we een 30-voet (9 m) hendel met een uiteinde onder het gewicht en een 1-voet (30,5 cm) fulcrum geplaatst onder de balk 10 voet (3 m) van het gewicht te gebruiken, zouden we alleen naar beneden te duwen aan de andere kant met 50 lbs. (23 kg) kracht om het gewicht op te heffen. Echter, we zouden moeten duwen het uiteinde van de hendel naar beneden 4 voet (1.,2 m) om het gewicht op te tillen 2 voet. We hebben een trade-off gemaakt waarbij we de afstand die we hadden om de hendel te bewegen hebben verdubbeld, maar we hebben de benodigde kracht met de helft verminderd om dezelfde hoeveelheid werk te doen.

hellend vlak

het hellend vlak is gewoon een vlak oppervlak dat onder een hoek wordt verhoogd, zoals een helling. Volgens Bob Williams, een professor in de afdeling werktuigbouwkunde aan de Russ College Of Engineering and Technology van Ohio University, een hellend vliegtuig is een manier van het tillen van een last die te zwaar zou zijn om recht omhoog te tillen., De hoek (de steilheid van het hellende vlak) bepaalt hoeveel inspanning nodig is om het gewicht te verhogen. Hoe steiler de helling, hoe meer inspanning nodig is. Dat betekent dat als we onze 100-pond optillen. gewicht 2 voet door het op een helling van 4 voet te rollen, verminderen we de benodigde kracht met de helft terwijl we de afstand verdubbelen die moet worden verplaatst. Als we een oprit van 2,4 meter zouden gebruiken, zouden we de benodigde kracht kunnen verminderen tot slechts 25 pond. (11,3 kg).

Pulley

als we dezelfde 100-lb willen optillen. gewicht met een touw kunnen we een katrol bevestigen aan een balk boven het gewicht., Dit zou ons laten trekken in plaats van omhoog op het touw, maar het vereist nog steeds 100 pond. van kracht. Als we echter twee katrollen zouden gebruiken-een bevestigd aan de bovenbalk en de andere bevestigd aan het gewicht — en we zouden een uiteinde van het touw aan de balk bevestigen, door de katrol op het gewicht lopen en vervolgens door de katrol op de balk, zouden we alleen maar aan het touw hoeven te trekken met 50 pond. van kracht om het gewicht op te tillen, hoewel we het touw 4 voet zouden moeten trekken om het gewicht 2 voet op te tillen. Nogmaals, we hebben grotere afstand geruild voor verminderde kracht.,

als we nog minder kracht willen gebruiken over een nog grotere afstand, kunnen we een block and tackle gebruiken. Volgens cursusmateriaal van de Universiteit van South Carolina, “een blok en tackle is een combinatie van katrollen die de hoeveelheid kracht die nodig is om iets op te tillen vermindert. De trade-off is dat een langere lengte van touw nodig is voor een blok en tackle om iets op dezelfde afstand te verplaatsen.”

hoe eenvoudig katrollen ook zijn, ze worden nog steeds gebruikt in de meest geavanceerde nieuwe machines., Bijvoorbeeld, de Hangprinter, een 3D-printer die meubels-sized objecten kan bouwen, maakt gebruik van een systeem van draden en computergestuurde katrollen verankerd aan de muren, vloer en plafond.

schroef

” een schroef is in wezen een lang hellend vlak dat om een as is gewikkeld, dus het mechanische voordeel ervan kan op dezelfde manier worden benaderd als de helling,” aldus HyperPhysics, een website van de Georgia State University. Veel apparaten gebruiken schroeven om een kracht uit te oefenen die veel groter is dan de kracht die wordt gebruikt om de schroef te draaien., Deze apparaten omvatten bank ondeugden en lug moeren op auto wielen. Ze krijgen een mechanisch voordeel niet alleen van de schroef zelf, maar ook, in veel gevallen, van de hefboomwerking van een lange handgreep gebruikt om de schroef te draaien.

wig

volgens het New Mexico Institute of Mining and Technology zijn “wiggen bewegende hellende vlakken die onder lasten worden gedreven om op te heffen, of tot een lading te splitsen of te scheiden.,”Een langere, dunnere wig geeft meer mechanisch voordeel dan een kortere, bredere wig, maar een wig doet iets anders: de belangrijkste functie van een wig is om de richting van de ingangskracht te veranderen. Bijvoorbeeld, als we een log willen splitsen, kunnen we een wig naar beneden drijven in het einde van de log met grote kracht met behulp van een voorhamer, en de wig zal deze kracht naar buiten Leiden, waardoor het hout te splitsen. Een ander voorbeeld is een deurstop, waarbij de kracht die wordt gebruikt om het onder de rand van de deur te duwen naar beneden wordt overgebracht, wat resulteert in wrijvingskracht die niet over de vloer glijdt.,

Additional reporting by Charles Q. Choi, live Science contributor

Additional resources

---