6 Simple Machines: Tehdä Työstä Helpompaa
Läpi historian ihmiset ovat kehittäneet useita laitteita tehdä työstä helpompaa. Merkittävimpiä näistä ovat tunnetaan nimellä ”kuusi yksinkertaisia koneita”: pyörä ja akseli, vipu, kalteva taso, hihnapyörä, ruuvi, kiila, vaikka kolme viimeksi mainittua ovat oikeastaan vain laajennuksia ja yhdistelmiä kolme ensimmäistä.,
Koska työ on määritelty voima objektin liikkeen suuntaan, kone tekee työstä helpompaa suorittaa suorittamalla yhden tai useampia seuraavista toiminnoista, mukaan Jefferson Lab:
- siirtää voima paikasta toiseen,
- suuntaa muuttamalla voima,
- kasvava suuruus voima, tai
- kasvava etäisyys tai nopeus voima.
yksinkertaiset koneet ovat laitteita, joissa ei ole lainkaan tai hyvin vähän liikkuvia osia, jotka helpottavat työskentelyä., Monet tänään”s monimutkaisia työkaluja ovat vain yhdistelmiä tai enemmän monimutkaisia muotoja kuusi yksinkertaisia koneita, mukaan University of Colorado at Boulder. Esimerkiksi, saatamme liittää pitkä kahva akseli tehdä ankkurivinssi, tai käytä lohko ja puuttua vetää kuormaa ylös ramppi. Vaikka nämä koneet voi tuntua yksinkertainen, ne ovat edelleen antaa meille keinot tehdä monia asioita, joita emme voisi koskaan tehdä ilman niitä.
pyörää ja akselia
pyörää pidetään yhtenä maailmanhistorian merkittävimmistä keksinnöistä. ”Ennen pyörän keksimistä vuonna 3500 eKr., ihmiset olivat ankarasti rajoitettu, kuinka paljon tavaraa meillä voisi kuljettaa maalla, ja kuinka pitkälle,” kirjoitti Natalie Wolchover Live Science artikkeli ”Top 10 Keksinnöt että Muuttunut Maailma.””Pyörillä varustetut kärryt helpottivat maataloutta ja kaupankäyntiä mahdollistamalla tavaroiden kuljetuksen markkinoille ja markkinoilta sekä helpottamalla pitkiä matkoja matkustavien taakkaa.”
pyörä vähentää huomattavasti kitkaa, joka kohdataan, kun esine siirretään pinnan yli., ”Jos laitat tiedosto kaappi pieni cart pyörät, voit merkittävästi vähentää voimaa sinun täytyy hakea, siirtää kaappiin kanssa jatkuva nopeus,” mukaan University of Tennessee.
kirjassaan ”Antiikin Tiede: Esihistoria-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels kirjoittaa, ”joissakin osissa maailmaa, raskaita esineitä, kuten kiviä ja veneitä siirrettiin käyttäen log rullat. Esineen edetessä telat otettiin takaapäin ja vaihdettiin eteen.”Tämä oli ensimmäinen askel pyörän kehityksessä.,
suuri innovaatio oli kuitenkin pyörän asentaminen akselille. Pyörä voi olla liitetty akseliin, joka oli tuettu laakeri, tai se voitaisiin kääntää vapaasti akselilla. Tämä johti vaunujen, vaunujen ja vaunujen kehittämiseen. Samuelsin mukaan arkeologit käyttävät akselilla pyörivän pyörän kehittämistä suhteellisen edistyneen sivilisaation indikaattorina. Varhaisimmat todisteet akseleilla olevista pyöristä ovat sumerilaisilta noin vuodelta 3200 eaa. Kiinalaiset keksivät pyörän itsenäisesti vuonna 2800 eaa.,
Voima kertoimet
lisäksi vähentää kitkaa, pyörän ja akselin voi myös palvella as a force multiplier, mukaan Tiede Quest Wiley. Jos pyörä on kiinnitetty akseliin, ja voimaa käytetään kääntää pyörän pyörivän voiman tai vääntömomentin, akseli on paljon suurempi kuin voima, vanteen pyörän. Vaihtoehtoisesti akselille voidaan kiinnittää pitkä kahva samanlaisen vaikutuksen aikaansaamiseksi.
muut viisi konetta kaikki auttavat ihmisiä lisäämään ja / tai ohjaamaan kohteeseen kohdistettua voimaa uudelleen., Kirjassaan ”Liikkuvat Isot Asiat” (Se”s aika, 2009), Janet L. Kolodner ja hänen co-kirjoittajat kirjoittavat, ”Koneet antaa mekaaninen etu auttaa liikkuvia kohteita. Mekaaninen etu on voiman ja etäisyyden välinen vaihtokauppa.”Seuraavan keskustelun yksinkertaisia koneita, jotka lisäävät voimaa soveltaa niiden tulo, voimme laiminlyödä voima kitka, koska useimmissa tapauksissa, kitkavoima on hyvin pieni verrattuna input-ja output-joukkojen mukana.
kun jokin voima kohdistuu etäältä, se tuottaa työtä., Matemaattisesti tämä ilmaistaan W = F × D. esimerkiksi, nosta esine, meidän täytyy tehdä työtä voittaa voima painovoiman ja siirtää objektin ylöspäin. Kaksi kertaa painavamman esineen nostaminen vaatii kaksi kertaa enemmän työtä saman etäisyyden nostamiseksi. Saman esineen nostaminen kaksi kertaa kauemmaksi vaatii myös kaksi kertaa enemmän työtä. Kuten matematiikka, suurin hyöty koneet on, että ne sallivat meidän tehdä sama määrä työtä soveltamalla pienempi määrä voima yli kauempaa.
Vipu
”Anna minulle vipua ja paikka seistä, ja I”ll muuttaa maailmaa.”Tämän kerskailevan väitteen katsotaan johtuvan kolmannen vuosisadan kreikkalaisesta filosofista, matemaatikosta ja keksijästä Arkhimedeestä. Vaikka se voi olla hieman liioittelua, sillä ei ilmaista valtaa vipuvaikutusta, joka, ainakin kuvaannollisesti, liikkuu maailmassa.,
Arkhimedeen nerous oli ymmärtää, että saman määrän tai työn saavuttamiseksi voisi tehdä vaihtokaupan voiman ja etäisyyden välillä vivulla. Hänen Laki Vipu todetaan, ”Suuruudet ovat tasapainossa etäisyyksillä toisiinsa verrannollinen niiden painot,” mukaan ”Arkhimedes vuonna 21. Vuosisadalla,” virtuaalinen kirja Chris Rorres New Yorkin Yliopistossa.
vipu koostuu pitkästä puomista ja fulcrumista eli pivotista. Vivun mekaaninen etu riippuu puomin pituuksien suhteesta molemmin puolin fulcrumia.,
esimerkiksi say we want to lift a 100-lb. (45 kilogrammaa) paino 2 jalkaa (61 senttimetriä) maasta. Voimme käyttää 100 lbs. voima paino ylöspäin suunta, etäisyys 2 metriä , ja olemme tehneet 200 punnan-jalat (271 Newton-metriä) työtä. Kuitenkin, jos käyttäisimme 30-jalka (9 m) – vipu, jonka toinen pää on painon alla ja 1-jalka (30.5 cm) tukipiste sijoitetaan palkin alle 10 jalkaa (3 m) paino, me vain täytyy painaa alas toinen pää 50 lbs. (23 kg) voimaa painon nostamiseen. Meidän olisi kuitenkin työnnettävä vivun pää alas 4 jalkaa (1.,2 m) painon nostamiseksi 2 jalkaa. Olemme tehneet vaihtokaupan, jossa tuplasimme välimatkan vipua liikuteltaessa, mutta vähennimme tarvittavaa voimaa puolella tehdäksemme saman työmäärän.
Kalteva taso
kalteva taso on yksinkertaisesti tasainen pinta esille kulmassa, kuten ramppi. Mukaan Bob Williams, professori, konetekniikan osasto Russ-College of Engineering and Technology-Ohio University, kalteva taso on tapa nosto kuorma, joka olisi liian raskas nostaa suoraan ylös., Kulma (kallistetun tason jyrkkyys) määrittää, kuinka paljon ponnistusta tarvitaan painon nostamiseksi. Mitä jyrkempi luiska on, sitä enemmän tarvitaan vaivaa. Se tarkoittaa, että jos nostamme 100 lb: n. paino 2 jalkaa rullaamalla se ylös 4-jalka ramppi, vähennämme tarvittavan voiman puoleen ja kaksinkertaistamalla matkan se on siirrettävä. Jos käyttäisimme 2,4-metristä ramppia, voisimme vähentää tarvittavan voiman vain 25 lbs: ään. (11,3 kg).
talja
Jos haluamme nostaa saman 100-lb: n. paino köydellä, voisimme kiinnittää hihnapyörän säteen painon yläpuolelle., Tämä antaisi meidän vetää alas sen sijaan ylös köyden, mutta se vaatii silti 100 lbs. voimaa. Kuitenkin, jos käyttäisimme kaksi hihnapyörät — yksi kiinnitetty yläpuolella palkki, ja muut kiinnitetty paino — ja me kiinnitä toinen pää köyden palkki, ajaa se läpi talja paino ja sitten läpi hihnapyörän palkki, me vain täytyy vetää köyden kanssa 50 kg. voimaa nostaa painoa, vaikka meidän pitäisi vetää köysi 4 jalkaa nostaa paino 2 jalkaa. Olemme jälleen vaihtaneet lisää etäisyyttä alempaan voimaan.,
Jos haluamme käyttää jopa vähemmän voimaa yli vielä suurempi etäisyys, voimme käyttää lohko ja puuttua. Mukaan kurssimateriaaleja University of South Carolina, ”lohko ja puuttua on yhdistelmä hihnapyörät joka vähentää voima, joka tarvitaan nostamaan jotain. Kauppa-off on, että pitempi köysi on tarpeen estää ja torjua liikkua jotain saman matkan.”
niin yksinkertaisia kuin hihnapyörät ovat, ne löytävät yhä käyttöä kehittyneimmissä uusissa koneissa., Esimerkiksi ripustin, 3D-tulostin, joka voi rakentaa huonekalujen kokoisia esineitä, käyttää johtojen ja tietokoneohjattujen hihnojen järjestelmää, joka on ankkuroitu seiniin, lattiaan ja kattoon.
Paskat
”ruuvi on lähinnä pitkä rinne kone kiedottu akseli, joten sen mekaaninen etu voidaan lähestyä samalla tavalla kuin rinne,” mukaan HyperPhysics, verkkosivuilla valmistettu Georgia State University. Monet laitteet käyttävät ruuveja käyttääkseen voimaa, joka on paljon suurempi kuin ruuvin kääntämiseen käytetty voima., Näitä laitteita ovat penkkivihjeet ja autojen pyörissä olevat lug-mutterit. Ne saavat mekaanisen edun paitsi itse ruuvista myös monissa tapauksissa ruuvin kääntämiseen käytetyn pitkän kahvan vipuvaikutuksesta.
Kiila
Mukaan New Mexico Institute of Mining ja Teknologian, ”Kiilat liikkuvat kalteva lentokoneita, jotka on ajettu alle kuormien nostamiseen, tai ladata jakaa tai erottaa.,”Pidempi, ohuempi kiila antaa enemmän mekaaninen etu kuin lyhyempi, leveämpi kiila, mutta kiila tekee jotain muuta: päätehtävä kiila on muuttaa suunta input voima. Esimerkiksi, jos haluamme jakaa loki, voimme ajaa kiila alaspäin loppuun loki voimalla käyttämällä moukarilla, ja kiila ohjaa tämä voima ulospäin, mikä aiheuttaa puun split. Toinen esimerkki on jauhesammutin, jossa voimaa käytetään työnnä se reunan alle ovi on siirretty alaspäin, jolloin kitkavoima, joka kestää liukuva lattian poikki.,
Tiedostojen raportointi Charles K. Choi, Live Tieteen rahoittaja
lisäresursseja
- John H. Lienhard, professori emeritus koneenrakennus ja historia University of Houston, vie ”toisen tarkastella keksintö pyörän.”
- Columbuksessa Ohiossa sijaitsevalla tieteen ja teollisuuden keskuksella on interaktiivinen selitys yksinkertaisille koneille.
- HyperPhysics, verkkosivuilla valmistettu Georgia State University, on kuvitettu selityksiä kuusi yksinkertaisia koneita.,
Etsi Chicagon Tiede-ja Teollisuusmuseosta hauskoja toimintoja, joihin liittyy yksinkertaisia koneita.