6 Einfache Maschinen: Erleichterung der Arbeit
Im Laufe der Geschichte haben Menschen mehrere Geräte entwickelt, um die Arbeit zu erleichtern. Die bemerkenswertesten davon sind bekannt als die „sechs einfachen Maschinen“: das Rad und die Achse, der Hebel, die geneigte Ebene, die Riemenscheibe, die Schraube und der Keil, obwohl die letzteren drei eigentlich nur Erweiterungen oder Kombinationen der ersten drei sind.,
Da Arbeit als Kraft definiert ist, die in Bewegungsrichtung auf ein Objekt einwirkt, erleichtert eine Maschine die Arbeit, indem sie eine oder mehrere der folgenden Funktionen erfüllt:
- Kraftübertragung von einem Ort zum anderen,
- Änderung der Richtung einer Kraft,
- Erhöhung der Stärke einer Kraft oder
- Erhöhung des Abstands oder der Geschwindigkeit einer Kraft.
Einfache Maschinen sind Geräte ohne oder nur sehr wenige bewegliche Teile, die die Arbeit erleichtern., Viele der heutigen komplexen Werkzeuge sind nur Kombinationen oder kompliziertere Formen der sechs einfachen Maschinen, nach Angaben der University of Colorado in Boulder. Zum Beispiel können wir einen langen Griff an einer Welle befestigen, um eine Ankerwinde herzustellen, oder einen Block und ein Gerät verwenden, um eine Last über eine Rampe zu ziehen. Obwohl diese Maschinen einfach erscheinen mögen, bieten sie uns weiterhin die Möglichkeit, viele Dinge zu tun, die wir niemals ohne sie tun könnten.
Rad und Achse
Das Rad gilt als eine der bedeutendsten Erfindungen der Weltgeschichte. „Vor der Erfindung des Rades in 3500 B. C.,, die Menschen waren stark eingeschränkt darin, wie viel Zeug wir über Land transportieren konnten und wie weit“, schrieb Natalie Wolchover im Live Science-Artikel „Top 10 Erfindungen, die die Welt veränderten.““Radkarren erleichterten Landwirtschaft und Handel, indem sie den Transport von Waren zu und von Märkten ermöglichten und die Belastung von Menschen, die große Entfernungen zurücklegen, erleichterten.“
Das Rad reduziert die Reibung, die beim Bewegen eines Objekts über eine Oberfläche auftritt, erheblich., „Wenn Sie Ihren Aktenschrank auf einen kleinen Wagen mit Rädern stellen, können Sie die Kraft, die Sie anwenden müssen, um den Schrank mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, erheblich reduzieren“, so die University of Tennessee.
In seinem Buch „Ancient Science: Prehistory-A. D. 500“ (Gareth Stevens, 2010) schreibt Charlie Samuels: „In Teilen der Welt wurden schwere Gegenstände wie Felsen und Boote mit Holzrollen bewegt. Als sich das Objekt vorwärts bewegte, wurden Rollen von hinten genommen und vorne ersetzt.“Das war der erste Schritt in der Entwicklung des Rades.,
Die große Neuerung war jedoch die Montage eines Rades an einer Achse. Das Rad könnte an einer Achse befestigt werden, die von einem Lager getragen wurde, oder es könnte gemacht werden, um sich frei um die Achse zu drehen. Dies führte zur Entwicklung von Karren, Waggons und Wagen. Laut Samuels verwenden Archäologen die Entwicklung eines Rades, das sich auf einer Achse dreht, als Indikator für eine relativ fortgeschrittene Zivilisation. Der früheste Beweis für Räder an Achsen stammt von den Sumerern um 3200 v. Chr. Die Chinesen erfanden das Rad selbstständig im Jahre 2800 v. Chr.,
Kraftmultiplikatoren
Neben der Reduzierung der Reibung können ein Rad und eine Achse laut Science Quest von Wiley auch als Kraftmultiplikator dienen. Wenn ein Rad an einer Achse befestigt ist und eine Kraft zum Drehen des Rades verwendet wird, ist die Rotationskraft oder das Drehmoment an der Achse viel größer als die Kraft, die auf die Felge des Rades ausgeübt wird. Alternativ kann ein langer Griff an der Achse befestigt werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.
Die anderen fünf Maschinen helfen allen Menschen, die auf ein Objekt ausgeübte Kraft zu erhöhen und/oder umzuleiten., In ihrem Buch „Moving Big Things“ (It“s about time, 2009) schreiben Janet L. Kolodner und ihre Co-Autoren: „Maschinen bieten mechanische Vorteile, um Objekte zu bewegen. Mechanischer Vorteil ist der Kompromiss zwischen Kraft und Distanz.“In der folgenden Diskussion über die einfachen Maschinen, die die auf ihren Eingang ausgeübte Kraft erhöhen, werden wir die Reibungskraft vernachlässigen, da in den meisten dieser Fälle die Reibungskraft im Vergleich zu den beteiligten Eingangs-und Ausgangskräften sehr gering ist.
Wenn eine Kraft über eine Distanz ausgeübt wird, erzeugt sie Arbeit., Mathematisch ausgedrückt wird dies als W = F × D. Um beispielsweise ein Objekt anzuheben, müssen wir arbeiten, um die Kraft aufgrund der Schwerkraft zu überwinden und das Objekt nach oben zu bewegen. Um ein doppelt so schweres Objekt anzuheben, ist doppelt so viel Arbeit erforderlich, um es in derselben Entfernung anzuheben. Es dauert auch doppelt so viel Arbeit, um dasselbe Objekt doppelt so weit anzuheben. Wie aus der Mathematik hervorgeht, besteht der Hauptvorteil von Maschinen darin, dass sie es uns ermöglichen, die gleiche Arbeit zu verrichten, indem wir über eine größere Entfernung eine geringere Kraft anwenden.
Hebel
„Gib mir einen Hebel und einen Platz zum stehen, und ich“werde die Welt bewegen.“Dieser prahlerische Anspruch wird dem griechischen Philosophen, Mathematiker und Erfinder Archimedes aus dem dritten Jahrhundert zugeschrieben. Während es ein bisschen übertrieben sein mag, drückt es die Kraft der Hebelwirkung aus, die zumindest im übertragenen Sinne die Welt bewegt.,
Das Genie von Archimedes war es, zu erkennen, dass man, um die gleiche Menge oder Arbeit zu leisten, mit einem Hebel einen Kompromiss zwischen Kraft und Distanz herstellen konnte. Sein Gesetz des Hebels besagt: „Magnituden sind in Abständen im Gleichgewicht, die zueinander proportional zu ihren Gewichten sind“, so“ Archimedes im 21st Jahrhundert“, ein virtuelles Buch von Chris Rorres an der New York University.
Der Hebel besteht aus einem langen Balken und einem Drehpunkt oder Drehpunkt. Der mechanische Vorteil des Hebels hängt vom Verhältnis der Strahllängen auf beiden Seiten des Drehpunkts ab.,
Zum Beispiel sagen wir, wir wollen eine 100-lb heben. (45 kilogramm) Gewicht 2 Fuß (61 Zentimeter) aus dem Boden. Wir können 100 lbs ausüben. kraft auf das Gewicht in der Aufwärtsrichtung für einen Abstand von 2 Fuß, und wir haben 200 Pfund-Fuß (271 Newtonmeter) der Arbeit getan. Wenn wir jedoch einen 30-Fuß (9 m) Hebel mit einem Ende unter dem Gewicht und einen 1-Fuß (30,5 cm) Drehpunkt unter dem Balken 10 Fuß (3 m) vom Gewicht verwenden würden, müssten wir nur mit 50 lbs auf das andere Ende drücken. (23 kg) Kraft, um das Gewicht zu heben. Wir müssten jedoch das Ende des Hebels 4 Fuß nach unten drücken (1.,2 m), um das Gewicht 2 Fuß zu heben. Wir haben einen Kompromiss getroffen, bei dem wir die Entfernung, die wir zum Bewegen des Hebels hatten, verdoppelt haben, aber wir haben die erforderliche Kraft um die Hälfte verringert, um die gleiche Menge an Arbeit zu leisten.
Geneigte Ebene
Die geneigte Ebene ist einfach eine ebene Fläche, die wie eine Rampe schräg angehoben ist. Laut Bob Williams, Professor am Department of Mechanical Engineering am Russ College of Engineering and Technology an der Ohio University, ist eine geneigte Ebene eine Möglichkeit, eine Last anzuheben, die zu schwer wäre, um sie direkt anzuheben., Der Winkel (die Steilheit der geneigten Ebene) bestimmt, wie viel Aufwand erforderlich ist, um das Gewicht zu erhöhen. Je steiler die Rampe, desto mehr Aufwand ist erforderlich. Das heißt, wenn wir unsere 100-lb heben. gewicht 2 Fuß Durch Aufrollen einer 4-Fuß-Rampe reduzieren wir die benötigte Kraft um die Hälfte und verdoppeln gleichzeitig den Abstand, den sie bewegen muss. Wenn wir eine 2,4 m lange 8-Fuß-Rampe verwenden würden, könnten wir die benötigte Kraft auf nur 25 lbs reduzieren. (11.3 kg).
Pulley
Wenn wir das gleiche 100-lb heben wollen. gewicht mit einem Seil könnten wir eine Riemenscheibe an einem Balken über dem Gewicht befestigen., Dies würde uns nach unten ziehen lassen, anstatt auf dem Seil, aber es erfordert immer noch 100 lbs. der Kraft. Wenn wir jedoch zwei Riemenscheiben verwenden würden — eine am Oberlichtbalken und die andere am Gewicht – und wir ein Ende des Seils am Träger befestigen, es durch die Riemenscheibe am Gewicht und dann durch die Riemenscheibe am Träger führen würden, müssten wir nur mit 50 lbs am Seil ziehen. kraft, um das Gewicht zu heben, obwohl wir das Seil 4 Fuß ziehen müssten, um das Gewicht 2 Fuß zu heben. Auch hier haben wir erhöhte Distanz gegen verminderte Kraft eingetauscht.,
Wenn wir noch weniger Kraft über eine noch größere Distanz einsetzen wollen, können wir einen Block und ein Tackle verwenden. Laut Kursmaterialien der University of South Carolina “ ist ein Block und ein Gerät eine Kombination von Riemenscheiben, die die Kraft reduziert, die zum Anheben von etwas erforderlich ist. Der Kompromiss besteht darin, dass eine längere Seillänge erforderlich ist, damit sich ein Block und ein Gerät auf die gleiche Entfernung bewegen können.“
So einfach Riemenscheiben auch sind, sie finden immer noch Verwendung in den fortschrittlichsten neuen Maschinen., Zum Beispiel verwendet der Hangprinter, ein 3D-Drucker, der möbelgroße Objekte bauen kann, ein System von Drähten und computergesteuerten Riemenscheiben, die an Wänden, Boden und Decke verankert sind.
Schraube
„Eine Schraube ist im Wesentlichen eine lange Neigungsebene, die um eine Welle gewickelt ist, sodass ihr mechanischer Vorteil auf die gleiche Weise angegangen werden kann wie die Neigung“, so HyperPhysics, eine Website der Georgia State University. Viele Geräte verwenden Schrauben, um eine Kraft auszuüben, die viel größer ist als die Kraft, die zum Drehen der Schraube verwendet wird., Diese Geräte umfassen Bank Schraubstöcke und Radmuttern auf Automobilrädern. Sie gewinnen einen mechanischen Vorteil nicht nur von der Schraube selbst, sondern in vielen Fällen auch von der Hebelwirkung eines langen Griffs, der zum Drehen der Schraube verwendet wird.
Wedge
Laut dem New Mexico Institute of Mining and Technology „bewegen Keile geneigte Ebenen, die unter Lasten zum Heben oder in eine Last zum Teilen oder Trennen angetrieben werden.,“Ein längerer, dünnerer Keil bietet mehr mechanischen Vorteil als ein kürzerer, breiterer Keil, aber ein Keil tut etwas anderes: Die Hauptfunktion eines Keils besteht darin, die Richtung der Eingangskraft zu ändern. Wenn wir beispielsweise einen Baumstamm teilen möchten, können wir mit einem Vorschlaghammer einen Keil mit großer Kraft nach unten in das Ende des Baumstamms treiben, und der Keil leitet diese Kraft nach außen um, wodurch sich das Holz spaltet. Ein weiteres Beispiel ist ein Türstopper, bei dem die Kraft, mit der er unter die Türkante gedrückt wird, nach unten übertragen wird, was zu einer Reibungskraft führt, die einem Gleiten über den Boden widersteht.,
Zusätzliche Berichterstattung von Charles Q. Choi, Live Science Contributor
Zusätzliche Ressourcen
- John H. Lienhard, emeritierter Professor für Maschinenbau und Geschichte an der University of Houston, wirft „einen weiteren Blick auf die Erfindung des Rades.“
- Das Zentrum für Wissenschaft und Industrie in Columbus, Ohio, bietet eine interaktive Erklärung einfacher Maschinen.
- HyperPhysics, eine Website der Georgia State University, hat Erklärungen zu den sechs einfachen Maschinen illustriert.,
Im Museum of Science and Industry in Chicago finden Sie einige unterhaltsame Aktivitäten mit einfachen Maschinen.