6 enkle maskiner: gør arbejdet lettere

gennem historien har mennesker udviklet flere enheder for at gøre arbejdet lettere. De mest bemærkelsesværdige af disse er kendt som de “seks enkle maskiner”: hjulet og akslen, håndtaget, det skrånende plan, remskiven, skruen og kilen, selvom de sidstnævnte tre faktisk kun er forlængelser eller kombinationer af de første tre.,

Fordi arbejde er defineret som kraft, der virker på et objekt i retningen af bevægelse, en maskine, der gør arbejdet lettere at udføre, ved varetagelse af en eller flere af følgende funktioner, i henhold til Jefferson Lab:

• overførsel af en kraft fra et sted til et andet,
• at ændre retningen af en kraft,
• at øge omfanget af en kraft, eller
• at øge afstanden eller hastigheden af en kraft.enkle maskiner er enheder uden eller meget få bevægelige dele, der gør arbejdet lettere., Mange af nutidens ” s komplekse værktøjer er blot kombinationer eller mere komplicerede former for de seks simple maskiner, ifølge University of Colorado i Boulder. For eksempel, Vi kan vedhæfte et langt håndtag til en aksel for at lave en ankerspil, eller brug en blok og tackle for at trække en belastning op ad en rampe. Selvom disse maskiner kan virke enkle, fortsætter de med at give os midlerne til at gøre mange ting, som vi aldrig kunne undvære dem.

  hjul og aksel

  hjulet anses for at være en af de mest betydningsfulde opfindelser i verdenshistorien. “Før hjulets opfindelse i 3500 f. kr .,, mennesker var meget begrænset i, hvor meget ting vi kunne transportere over land, og hvor langt,” skrev Natalie .olchover i Live Science-artiklen “Top 10 opfindelser, der ændrede verden.””Hjulvogne Letter landbrug og handel ved at muliggøre transport af varer til og fra markeder samt lette byrderne for folk, der rejser store afstande.”

  hjulet reducerer i høj grad friktionen, der opstår, når en genstand bevæges over en overflade., “Hvis du lægger dit arkivskab på en lille vogn med hjul, kan du i høj grad reducere den kraft, du skal anvende for at flytte kabinettet med konstant hastighed,” ifølge University of Tennessee.

  i sin bog “Ancient Science: Prehistory-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010) skriver Charlie Samuels, “i dele af verden blev tunge genstande som klipper og både flyttet ved hjælp af logruller. Da objektet bevægede sig fremad, blev ruller taget bagfra og udskiftet foran.”Dette var det første skridt i udviklingen af hjulet.,

  den store innovation var dog i montering af et hjul på en aksel. Hjulet kunne fastgøres til en aksel, der blev understøttet af et leje, eller det kunne gøres for at dreje frit om akslen. Dette førte til udviklingen af vogne, vogne og vogne. Ifølge Samuels bruger arkæologer udviklingen af et hjul, der roterer på en aksel som en indikator for en relativt avanceret civilisation. Det tidligste bevis på hjul på aksler er fra omkring 3200 f. KR. af sumererne. Kineserne opfandt uafhængigt hjulet i 2800 f. kr.,

  Force multipliers

  ud over at reducere friktion, et hjul og aksel kan også tjene som en force multiplier, ifølge Science Quest fra Wiley. Hvis et hjul er fastgjort til en aksel, og en kraft bruges til at dreje hjulet, er rotationskraften eller drejningsmomentet på akslen meget større end den kraft, der påføres hjulets kant. Alternativt kan et langt håndtag fastgøres til akslen for at opnå en lignende effekt.

  de andre fem maskiner hjælper alle mennesker med at øge og / eller omdirigere den kraft, der påføres et objekt., I deres bog “Moving Big Things” (It”s about time, 2009) skriver Janet L. Kolodner og hendes medforfattere, “maskiner giver mekanisk fordel til at hjælpe med at flytte objekter. Mekanisk fordel er afvejningen mellem kraft og afstand.”I den følgende diskussion af de enkle maskiner, der øger den kraft, der påføres deres input, vil vi forsømme friktionskraften, fordi friktionskraften i de fleste af disse tilfælde er meget lille sammenlignet med de involverede indgangs-og udgangskræfter.

  Når en kraft påføres over en afstand, producerer den arbejde., Matematisk udtrykkes dette som = = f.D. for at løfte et objekt skal vi for eksempel arbejde for at overvinde kraften på grund af tyngdekraften og flytte objektet opad. For at løfte et objekt, der er dobbelt så tungt, tager det dobbelt så meget arbejde at løfte det i samme afstand. Det tager også dobbelt så meget arbejde at løfte det samme objekt dobbelt så langt. Som angivet ved matematikken er den største fordel ved maskiner, at de giver os mulighed for at udføre den samme mængde arbejde ved at anvende en mindre mængde kraft over en større afstand.

  Håndtag

  “Giv mig en arm og et sted at stå, og I”ll bevæge verden.”Denne pralende påstand tilskrives den græske filosof, matematiker og opfinder Archimedes fra det tredje århundrede. Selv om det kan være lidt af en overdrivelse, udtrykker det kraften i gearing, som i det mindste figurativt bevæger verden.,Archimedes geni var at indse, at man for at opnå det samme beløb eller arbejde kunne lave en afvejning mellem kraft og afstand ved hjælp af en håndtag. Hans Lov om håndtaget siger,” størrelser er i ligevægt på afstande, der er gensidigt proportional med deres vægte, “ifølge” Archimedes i det 21.århundrede”, en virtuel bog af Chris Rorres ved ne. York University.

  håndtaget består af en lang stråle og et omdrejningspunkt eller drejepunkt. Den mekaniske fordel ved håndtaget afhænger af forholdet mellem bjælkens længder på hver side af omdrejningspunktet.,

  For eksempel, siger Vi ønsker at løfte en 100-lb. (45 kg) vægt 2 fod (61 centimeter) fra jorden. Vi kan udøve 100 lbs. af kraft på vægten i opadgående retning i en afstand af 2 fødder, og vi har gjort 200 pund-fødder (271 ne .ton-meter) arbejde. Men hvis vi skulle bruge en 30-fods (9 m) håndtag med den ene ende under vægten og en 1-fods (30.5 cm) omdrejningspunkt placeret under bjælken 10 fod (3 m) fra vægten, ville vi kun skulle skubbe ned i den anden ende med 50 lbs. (23 kg) kraft til at løfte vægten. Vi bliver dog nødt til at skubbe enden af håndtaget ned 4 fødder (1.,2 m) for at løfte vægten 2 fødder. Vi har lavet en afvejning, hvor vi fordoblede afstanden, Vi var nødt til at flytte håndtaget, men vi reducerede den nødvendige kraft med halvdelen for at udføre den samme mængde arbejde.

  skråplan

  det skrånende plan er simpelthen en flad overflade hævet i en vinkel, som en rampe. Ifølge Bob .illiams, en professor i Institut for maskinteknik ved Russ College of Engineering and Technology ved Ohio University, er et skråt plan en måde at løfte en belastning, der ville være for tung til at løfte lige op., Vinklen (det skrånende planes stejlhed) bestemmer, hvor meget indsats der er behov for for at hæve vægten. Jo stejlere rampen, jo mere indsats er påkrævet. Det betyder, at hvis vi løfter vores 100-lb. vægt 2 fødder ved at rulle den op en 4-fods rampe, vi reducerer den nødvendige kraft med halvdelen, mens den fordobles afstanden, den skal flyttes. Hvis vi skulle bruge en 8-fods (2,4 m) rampe, kunne vi reducere den nødvendige kraft til kun 25 lbs. (11, 3 kg).

  remskive

  Hvis vi vil løfte den samme 100-lb. vægt med et reb kunne vi fastgøre en remskive til en bjælke over vægten., Dette ville lade os trække ned i stedet for op på rebet, men det kræver stadig 100 lbs. af kraft. Imidlertid, hvis vi skulle bruge to remskiver — den ene fastgjort til overheadstrålen, og den anden fastgjort til vægten — og vi skulle fastgøre den ene ende af rebet til bjælken, kør det gennem remskiven på vægten og derefter gennem remskiven på bjælken, vi skulle kun trække på rebet med 50 lbs. vægt, selv om vi ville have til at trække rebet 4 fødder til at løfte vægten 2 fødder. Igen har vi handlet øget afstand for nedsat kraft.,

  Hvis vi vil bruge endnu mindre kraft over en endnu større afstand, kan vi bruge en blok og tackle. Ifølge kursusmaterialer fra University of South Carolina er “en blok og tackle en kombination af remskiver, der reducerer mængden af kraft, der kræves for at løfte noget. Afvejningen er, at der kræves en længere længde af reb for en blok og tackle for at flytte noget i samme afstand.”

  så simpelt som remskiver er, finder de stadig brug i de mest avancerede nye maskiner., For eksempel, Hangprinter, en 3D-printer, der kan bygge møbler størrelse objekter, anvender et system af ledninger og computerstyrede remskiver forankret til vægge, gulv, og loft.

  Skruen

  “En skrue er hovedsageligt en lang skråplan viklet omkring en aksel, så dens mekaniske fordel kan gribes an på samme måde som den skrå,” i henhold til HyperPhysics, en hjemmeside, der produceres ved Georgia State University. Mange enheder bruger skruer til at udøve en kraft, der er meget større end den kraft, der bruges til at dreje skruen., Disse enheder omfatter bænk vices og lug møtrikker på bilhjul. De får en mekanisk fordel ikke kun fra selve skruen, men også i mange tilfælde fra gearing af et langt håndtag, der bruges til at dreje skruen.

  kile

  ifølge Ne.me .ico Institute of Mining and Technology bevæger “kiler skråplaner, der køres under belastninger for at løfte eller i en belastning for at opdele eller adskille.,”En længere, tyndere kile giver mere mekanisk fordel end en kortere, bredere kile, men en kile gør noget andet: en Kiles hovedfunktion er at ændre retningen på indgangskraften. For eksempel, hvis vi ønsker at opdele en log, kan vi køre en kil nedad i slutningen af loggen med stor kraft ved hjælp af en slegge, og kilen omdirigerer denne kraft udad, hvilket får træet til at splitte. Et andet eksempel er en dørstop, hvor den kraft, der bruges til at skubbe den under kanten af døren, overføres nedad, hvilket resulterer i friktionskraft, der modstår glidende hen over gulvet.,

  Yderligere rapportering af Charles Q. Choi, Live Science bidragyder

  Yderligere ressourcer

  • John H. Lienhard, professor emeritus i mekanisk teknik og historie på University of Houston, tager “endnu et kig på opfindelsen af hjulet.”
  • Center for videnskab og industri i Columbus, Ohio, har en interaktiv forklaring på enkle maskiner.
  • HyperPhysics, et websiteebsted produceret af Georgia State University, har illustreret forklaringer på de seks enkle maskiner.,

  Find nogle sjove aktiviteter, der involverer enkle maskiner på Museum of Science and Industry i Chicago.

  seneste nyheder

  {{ articleName }}

  ---