6 jednoduchých strojů: usnadňuje práci
v celé historii lidé vyvinuli několik zařízení, která usnadňují práci. Nejvýznamnější z nich jsou známé jako „šest jednoduchých strojů“: kola a nápravy, páka, nakloněná rovina, kladka, šroub a klín, i když poslední tři jsou ve skutečnosti jen rozšíření nebo kombinace prvních tří.,
Protože práce je definována jako síla působící na objekt ve směru pohybu, stroj usnadňuje práci vykonávat po dosažení jednoho nebo více z následujících funkcí, v závislosti na Jefferson Lab:
- přenos síly z jednoho místa na druhé,
- změna směru síly,
- rostoucí velikost síly, nebo
- zvyšuje vzdálenost, nebo rychlost a síla.
Jednoduché stroje jsou zařízení bez nebo jen velmi málo pohyblivých částí, které usnadňují práci., Mnoho z dnešních složitých nástrojů jsou jen kombinace nebo složitější formy šesti jednoduchých strojů, podle University of Colorado v Boulder. Například, můžeme připojit dlouhou rukojeť na hřídel, aby se vrátek, nebo použijte blok a řešit vytáhnout a naložit rampu. I když se tyto stroje mohou zdát jednoduché, nadále nám poskytují prostředky k tomu, abychom mohli dělat mnoho věcí, které bychom bez nich nikdy nemohli udělat.
kolo a náprava
kolo je považováno za jeden z nejvýznamnějších vynálezů v historii světa. „Před vynálezem kola v roce 3500 př. n. l.,, lidé byli vážně omezeni v tom, kolik věcí bychom mohli přepravovat po zemi a jak daleko,“ napsala Natalie Wolchover v článku Live Science „Top 10 vynálezy, které změnily svět.““Kolové vozíky usnadnily zemědělství a obchod tím, že umožnily přepravu zboží na trhy az trhů, jakož i zmírnění zátěže lidí, kteří cestují na velké vzdálenosti.“
kolo výrazně snižuje tření, ke kterému dochází, když se objekt pohybuje po povrchu., „Pokud dáte kartotéku na malý vozík s koly, můžete výrazně snížit sílu, kterou musíte použít k pohybu skříně s konstantní rychlostí,“ podle University of Tennessee.
ve své knize „Starověká věda: prehistorie-a.D. 500“ (Gareth Stevens, 2010) píše Charlie Samuels: „v částech světa byly těžké předměty, jako jsou skály a lodě, přesunuty pomocí válečků. Jak se objekt pohyboval dopředu, válečky byly vzaty zezadu a nahrazeny vpředu.“To byl první krok ve vývoji kola.,
velká inovace však spočívala v montáži kola na nápravu. Kolo by mohlo být připevněno k nápravě, která byla podepřena ložiskem, nebo by se mohlo volně otáčet kolem nápravy. To vedlo k vývoji vozíků, vozů a vozů. Podle Samuelse používají archeologové vývoj kola, které se otáčí na nápravě jako ukazatel relativně vyspělé civilizace. Nejstarší důkazy kol na nápravy je od asi 3200 Př. Sumerové. Číňané nezávisle vynalezli kolo v roce 2800 př. n. l.,
multiplikátory Síly
kromě snížení tření, kola a náprava může také sloužit jako násobitel sil, podle Science Quest od Wiley. Pokud je kolo připevněno k nápravě, a síla se používá k otáčení volantem, rotační sílu nebo točivý moment na nápravy je mnohem větší, než síla působící na ráfek kola. Alternativně může být k nápravě připevněna dlouhá rukojeť, aby se dosáhlo podobného účinku.
dalších pět strojů pomáhá lidem zvýšit a/nebo přesměrovat sílu aplikovanou na objekt., Ve své knize „Moving Big Things“ (it ‚ s about time, 2009) Janet L.Kolodner a její spoluautoři píší:“stroje poskytují mechanickou výhodu při pohybu objektů. Mechanickou výhodou je kompromis mezi silou a vzdáleností.“V následující diskusi o jednoduché stroje, které zvyšují sílu působící na jejich vstupní, budeme zanedbávat síla tření, protože ve většině těchto případů, třecí síla je velmi malá ve srovnání se vstupní a výstupní síly zapojené.
když je síla aplikována na dálku, vytváří práci., Matematicky je to vyjádřeno jako W = F × D.například pro zvedání objektu musíme pracovat na překonání síly v důsledku gravitace a posunutí objektu nahoru. Zvednout objekt, který je dvakrát tak těžké, to trvá dvakrát tolik práce, aby zvednout na stejnou vzdálenost. To také trvá dvakrát tolik práce zvednout stejný objekt dvakrát tak daleko. Jak ukazuje matematika, hlavní výhodou strojů je to, že nám umožňují provádět stejné množství práce použitím menšího množství síly na větší vzdálenost.
Pákou
„Dej mi páku a místo pro stát, a já“ll pohybovat ve světě.“Toto vychloubačné tvrzení je připisováno řeckému filozofovi, matematikovi a vynálezci Archimedesovi ze třetího století. I když to může být trochu přehnané, vyjadřuje sílu pákového efektu, který, alespoň obrazně, hýbe světem.,
génius Archimedes si měl uvědomit, že za účelem dosažení stejného množství nebo práce lze pomocí páky provést kompromis mezi silou a vzdáleností. Jeho Zákon Páky státy, „Veličiny jsou v rovnováze ve vzdálenosti vzájemně úměrná jejich hmotnosti,“ podle „Archimedes v 21. Století,“ virtuální knihu od Chrise Rorres na New York University.
páka se skládá z dlouhého paprsku a otáčení nebo otáčení. Mechanická výhoda páky závisí na poměru délek nosníku na obou stranách opěry.,
například řekněme, že chceme zvednout 100-lb. (45 kilogramů) hmotnost 2 nohy (61 centimetrů) ze země. Můžeme vyvinout 100 liber. síly na hmotnosti ve směru vzhůru na vzdálenost 2 stop, a my jsme udělali 200 libra-Stop (271 Newton-metry) práce. Nicméně, pokud bychom je chtěli použít 30 stop (9 m) páka s jedním koncem pod tíhou a 1-noha (30.5 cm), opěra pod trám 10 stop (3 m) od váhy, jsme by jen tlačit dolů na druhém konci s 50 lbs. (23 kg) síly pro zvedání hmotnosti. Museli bychom však zatlačit konec páky dolů o 4 nohy (1.,2 m) za účelem zvedání hmotnosti 2 nohy. Udělali jsme kompromis, ve kterém jsme zdvojnásobili vzdálenost, kterou jsme museli posunout pákou, ale snížili jsme potřebnou sílu o polovinu, abychom mohli dělat stejné množství práce.
nakloněná rovina
nakloněná rovina je prostě plochý povrch zvednutý pod úhlem, jako rampa. Podle Bob Williams, profesor na katedře mechanického inženýrství v Russi vysoká škola Inženýrství a Technologie na Ohio University, nakloněnou rovinou je způsob, jak zvedat břemeno, že by bylo příliš těžké zvednout přímo vzhůru., Úhel (strmost nakloněné roviny) určuje, kolik úsilí je zapotřebí ke zvýšení hmotnosti. Čím strmější je rampa, tím více úsilí je zapotřebí. To znamená, že když zvedneme 100 liber. hmotnost 2 nohy tím, že ji vyválíme na 4-foot rampu, snížíme potřebnou sílu o polovinu, zatímco zdvojnásobíme vzdálenost, kterou je třeba přesunout. Pokud bychom měli použít rampu 8-foot (2.4 m), mohli bychom snížit potřebnou sílu pouze na 25 liber. (11,3 kg).
kladka
Pokud chceme zvednout stejných 100-lb. hmotnost s lanem, mohli bychom připojit kladku k nosníku nad hmotností., To by nám umožnilo stáhnout místo nahoru na laně,ale stále to vyžaduje 100 liber. síly. Nicméně, pokud bychom je chtěli použít dvě kladky — one připojen k stropní světlo, a druhá připojen k hmotnosti — a my jsme byli připojit jeden konec provazu k nosníku, spusťte jej přes kladku o hmotnosti a pak přes řemenici na nosníku, budeme jen muset vytáhnout na laně s 50 lbs. síly pro zvedání váhy, i když bychom museli vytáhnout lano 4 nohy, abychom zvedli váhu 2 nohy. Opět jsme vyměnili větší vzdálenost za sníženou sílu.,
Pokud chceme použít ještě méně síly na ještě větší vzdálenost, můžeme použít blok a řešit. Podle studijních materiálů z University of South Carolina, “ blok a nářadí je kombinace řemenic, která snižuje množství síly potřebné k zvedání něčeho. Trade-off je, že delší délka lana je nutná pro blok a řešit přesunout něco stejné vzdálenosti.“
stejně jednoduché jako kladky jsou, stále nacházejí uplatnění v nejmodernějších nových strojích., Například Hangprinter, 3D tiskárna, která dokáže vytvářet předměty velikosti nábytku, využívá systém drátů a počítačem řízených řemenic ukotvených ke stěnám, podlaze a stropu.
Šroub
„šroub je v podstatě dlouhé stoupání letadla omotal kolem hřídele, tak její mechanickou výhodu lze přistupovat stejným způsobem jako sklon,“ podle HyperPhysics, webové stránky produkován Georgia State University. Mnoho zařízení používá šrouby k vyvíjení síly, která je mnohem větší než síla použitá k otáčení šroubu., Tato zařízení zahrnují stolní svěráky a matice na automobilových kolech. Získávají mechanickou výhodu nejen ze samotného šroubu, ale také v mnoha případech z páky dlouhé rukojeti používané k otáčení šroubu.
Wedge
Podle New Mexico Institute of Mining and Technology, „Klíny jsou pohybující se nakloněné roviny, které jsou řízený podle zatížení výtahu, nebo do zatížení rozdělit nebo oddělit.,“Delší, tenčí klín dává větší mechanickou výhodu, než kratší, širší klín, ale klín dělá něco jiného: hlavní funkce klín je změnit směr vstupní síla. Například, pokud chceme rozdělit log, můžeme vrazit klín směrem dolů na konec protokolu s velkou silou pomocí kladivo a klín bude přesměrovat tuto sílu směrem ven, což způsobuje dřevo do splitu. Dalším příkladem je zarážka, kdy použití síly, aby se zasadila ji pod okraj dveří se přenáší směrem dolů, což v třecí síla, která brání klouzání po podlaze.,
Další podávání zpráv by Charles Q. Choi, Live Science přispěvatel
Další zdroje:
- John H. Lienhard, emeritní profesor mechanického inženýrství a historie na University of Houston, má „jiný pohled na vynález kola.“
- Centrum vědy a průmyslu v Columbusu v Ohiu má interaktivní vysvětlení jednoduchých strojů.
- HyperPhysics, webová stránka vytvořená Georgia State University, ilustrovala vysvětlení šesti jednoduchých strojů.,
najděte některé zábavné aktivity zahrnující jednoduché stroje v Muzeu vědy a průmyslu v Chicagu.