6 egyszerű gép: a munka megkönnyítése
a történelem során az emberek több eszközt fejlesztettek ki a munka megkönnyítése érdekében. Ezek közül a legjelentősebb a “hat egyszerű gép”: a kerék és a tengely, a kar, a ferde sík, a szíjtárcsa, a csavar és az ék, bár az utóbbi három valójában csak az első három kiterjesztése vagy kombinációja.,
Mert a munka meghatározott, mint a ható erő egy tárgy a mozgás irányát, a gép teszi a munka könnyebb, hogy végre a megvalósítása egy vagy több a következő funkciók szerint Jefferson Labor:
- átadó, egy erő, egyik helyről a másikra,
- a változó abba az irányba, egy erő,
- növekszik a nagysága, ereje, vagy
- nő a távolság vagy a sebesség, az erő.
az egyszerű gépek olyan eszközök, amelyek nem vagy nagyon kevés mozgó alkatrészt tartalmaznak, amelyek megkönnyítik a munkát., Sok mai komplex eszközök csak kombinációk vagy bonyolultabb formái a hat egyszerű gépek, szerint a University of Colorado at Boulder. Például, lehet, hogy csatolja a hosszú fogantyú egy tengely, hogy egy széldzseki, vagy használja a blokk, és kezelni, hogy húzza a terhelés fel a rámpán. Bár ezek a gépek egyszerűnek tűnhetnek, továbbra is biztosítják számunkra az eszközöket, hogy sok dolgot tegyünk, amit soha nem tudtunk nélkülük megtenni.
kerék és tengely
a kerék a világtörténelem egyik legjelentősebb találmányának számít. “A kerék feltalálása előtt I. E. 3500-ban., az emberek nagyon korlátozottak voltak abban, hogy mennyit szállíthatunk szárazföldön, és milyen messzire” – írta Natalie Wolchover a “Top 10 találmányok, amelyek megváltoztatták a világot” című élő tudományos cikkben.””A kerekes szekerek megkönnyítették a mezőgazdaságot és a kereskedelmet azáltal, hogy lehetővé tették az áruk szállítását a piacokra és a piacokról, valamint megkönnyítették a nagy távolságokat utazó emberek terheit.”
a kerék jelentősen csökkenti a súrlódást, amikor egy tárgyat egy felületen mozgatnak., “Ha a fájl kabinet egy kis kocsi kereke, nagyban csökkenti a force kell alkalmazni, hogy mozog a kabinet állandó sebesség” – állítja a University of Tennessee-ben.
“Ancient Science: Prehistory-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010) című könyvében Charlie Samuels azt írja: “a világ egyes részein nehéz tárgyakat, például sziklákat és hajókat mozgattak rönkhengerekkel. Ahogy a tárgy előre haladt, a görgőket hátulról vették, majd elöl cserélték.”Ez volt az első lépés a kerék fejlesztésében.,
a nagy innováció azonban a kerék tengelyre történő felszerelésében volt. A kereket egy csapágy által támasztott tengelyhez lehet rögzíteni, vagy szabadon lehet fordulni a tengely körül. Ez szekerek, kocsik és szekerek fejlesztéséhez vezetett. Samuels szerint a régészek egy tengelyen forgó kerék fejlesztését használják egy viszonylag fejlett civilizáció indikátoraként. A tengelyekre szerelt kerekek legkorábbi bizonyítéka I.E. 3200 körül keletkezett a sumérok által. A kínaiak önállóan találták fel a kereket I. E. 2800-ban.,
erő szorzók
a súrlódás csökkentése mellett a kerék és a tengely erő szorzóként is szolgálhat Wiley tudományos kutatása szerint. Ha egy kerék egy tengelyhez van rögzítve, és egy erőt használnak a kerék forgatására, akkor a tengelyen a forgási erő vagy a nyomaték sokkal nagyobb, mint a kerék peremén alkalmazott erő. Alternatív megoldásként egy hosszú fogantyú is csatlakoztatható a tengelyhez hasonló hatás elérése érdekében.
a másik öt gép mind segíti az embereket az objektumra gyakorolt erő növelésében és/vagy átirányításában., Janet L. Kolodner és társszerzői a “Moving Big Things” (It ‘ s about time, 2009) című könyvükben azt írják:”a gépek mechanikai előnyt nyújtanak a mozgó tárgyak segítésében. A mechanikai előny az erő és a távolság közötti kompromisszum.”A következő vita az egyszerű gépek, amelyek növelik az erő alkalmazott a bemenet, akkor figyelmen kívül hagyja a súrlódási erő, mert a legtöbb ilyen esetben, a súrlódási erő nagyon kicsi, mint a bemeneti és kimeneti erők részt.
Ha egy erő egy távolságon keresztül kerül alkalmazásra, akkor munkát végez., Matematikailag ezt W = F × D-ként fejezzük ki. például egy tárgy felemeléséhez meg kell tennünk a munkát, hogy legyőzzük az erőt a gravitáció miatt, és felfelé mozgassuk az objektumot. Egy olyan tárgy felemeléséhez, amely kétszer olyan nehéz, kétszer annyi munkát igényel, hogy ugyanazt a távolságot emelje. Kétszer annyi munkát igényel, hogy ugyanazt a tárgyat kétszer olyan messzire emelje. Amint azt a matematika, a fő előnye a gépek, hogy lehetővé teszik számunkra, hogy ugyanazt a munkát alkalmazásával kisebb mennyiségű erő nagyobb távolságra.
Kar
” Adj egy kart és egy helyet, ahol állhatok, és én mozgatom a világot.”Ezt a dicső állítást a harmadik századi görög filozófus, matematikus és feltaláló, Archimedes tulajdonítja. Bár lehet, hogy egy kicsit túlzás, kifejezi a tőkeáttétel erejét, amely legalábbis képletesen mozgatja a világot.,
Archimedes zsenialitása az volt, hogy rájöjjünk, hogy ugyanakkora összeg vagy munka elérése érdekében az erő és a távolság közötti kompromisszumot egy kar segítségével lehet elérni. A kar törvénye kimondja,” a nagyságok egyensúlyban vannak a távolságokkal, amelyek arányosak a súlyukkal, “szerint” Archimedes a 21.században, ” Chris Rorres virtuális könyve A New York-i Egyetemen.
a kar egy hosszú gerendából és egy fulcrumból vagy elfordulásból áll. A kar mechanikai előnye a gerenda hosszának arányától függ a támaszpont mindkét oldalán.,
például mondjuk, hogy fel akarunk emelni egy 100-lb-t. (45 kilogramm) súlya 2 láb (61 centiméter) a földről. Tudunk gyakorolni 100 font. az erő a súly felfelé irányban a távolság 2 láb, és tettünk 200 font-láb (271 Newton-méter) a munka. Azonban ha használni egy 30 láb (9 méter) kar, hogy egyik vége a súly alatt, s egy 1 méteres (30.5 cm) fulcrum alá a gerenda 10 láb (3 m), a súly, a mi csak kell, hogy álljon le, a másik végén 50 kg. (23 kg) erő, hogy szüntesse meg a súlyt. A kar végét azonban le kell nyomnunk 4 láb (1.,2 m) annak érdekében, hogy emelje fel a súlyt 2 láb. Olyan kompromisszumot kötöttünk, amelyben megkétszereztük azt a távolságot, amelyet meg kellett mozgatnunk a kart, de felére csökkentettük a szükséges erőt ahhoz, hogy ugyanazt a munkát elvégezzük.
ferde sík
A ferde sík egyszerűen egy sík felület, amely szögben emelkedik, mint egy rámpa. Bob Williams, az Ohio Egyetem Russ College of Engineering and Technology Gépészmérnöki tanszékének professzora szerint egy ferde sík egy olyan teher felemelésének módja, amely túl nehéz lenne ahhoz, hogy egyenesen felemelkedjen., A szög (a ferde sík meredeksége) meghatározza, hogy mennyi erőfeszítésre van szükség a súly növeléséhez. Minél meredekebb a rámpa, annál nagyobb erőfeszítésre van szükség. Ez azt jelenti, hogy ha felemeljük a 100 lb-t. súly 2 láb egy 4 lábos rámpa felhúzásával felére csökkentjük a szükséges erőt, miközben megduplázzuk a távolságot, amelyet meg kell mozgatni. Ha egy 8 láb (2,4 m) rámpát használnánk, akkor a szükséges erőt csak 25 lbs-re csökkenthetnénk. (11,3 kg).
Szíjtárcsa
Ha ugyanazt a 100-lb-t akarjuk felemelni. súly egy kötéllel, rögzíthetnénk egy szíjtárcsát a súly feletti gerendához., Ez lehetővé tenné, hogy húzza le helyett fel a kötelet, de még mindig szükség van 100 font. erőből. Azonban, ha két csigák — egy csatlakozik a felső sugár, a másik pedig csatolni kell a tömeg—, illetve voltunk, hogy csatlakoztassa az egyik végét a kötelet a gerendán, fuss át a csigát, a tömeg keresztül, majd a csigát, a sugár, mi lenne csak, hogy húzza meg a kötelet, 50 kg. az erő, hogy szüntesse meg a súlyt, bár mi lenne, hogy húzza a kötelet 4 láb, hogy szüntesse meg a súlyt 2 láb. Ismét forgalmazott megnövekedett távolság csökkent erő.,
Ha még kevesebb erőt akarunk használni egy még nagyobb távolságon, akkor használhatunk egy blokkot és kezelhetünk. A Dél-Karolinai Egyetem kutatói szerint ” a blokk és a szerelés a csigák kombinációja, ami csökkenti a felemeléshez szükséges erő mennyiségét. A kompromisszum az, hogy hosszabb kötélhosszra van szükség ahhoz, hogy egy blokk és a felszerelés ugyanazt a távolságot mozgassa.”
olyan egyszerű, mint a csigák, még mindig használják a legfejlettebb új gépeket., Például a Hangprinter, egy 3D-s nyomtató, amely bútor méretű tárgyakat képes felépíteni, a falakhoz, a padlóhoz és a mennyezethez rögzített vezetékek és számítógéppel vezérelt Szíjtárcsák rendszerét alkalmazza.
csavar
“a csavar lényegében egy hosszú lejtős sík, amely egy tengely köré van tekerve, így mechanikai előnye ugyanúgy megközelíthető, mint a lejtő” – mondja HyperPhysics, a Georgia Állami Egyetem által készített weboldal. Sok eszköz csavarokat használ, hogy olyan erőt fejtsen ki, amely sokkal nagyobb, mint a csavar forgatásához használt erő., Ezek közé az eszközök közé tartoznak a padok és a csavaranyák az autó kerekein. Mechanikai előnyt élveznek nemcsak a csavarból, hanem sok esetben a csavar forgatásához használt hosszú fogantyú tőkeáttételéből is.
Ék
Szerint az Új-Mexikói Intézet Bányászati Technológia, “Ékek mozog, ferde síkok, hogy hajtott alatt betölti a lift, vagy a terhelés split, vagy külön-külön.,”A hosszabb, vékonyabb ék több mechanikai előnyt biztosít, mint egy rövidebb, szélesebb ék, de egy ék valami mást tesz: az ék fő funkciója a bemeneti erő irányának megváltoztatása. Például, ha egy rönköt szeretnénk felosztani, akkor egy ékkel lefelé hajthatunk a rönk végére, nagy erővel egy kalapáccsal, az ék pedig ezt az erőt kifelé irányítja, ami a fa szétválását okozza. Egy másik példa egy ajtóálló, ahol az ajtó széle alá nyomó erő lefelé kerül, ami súrlódási erőt eredményez, amely ellenáll a padlón való csúszásnak.,
Charles Q. Choi, Live Science contributor
további források
- John H. Lienhard, a Houstoni Egyetem Gépészmérnöki és történelemtudományi professzora “újabb pillantást vet a kerék feltalálására.”
- az Ohio állambeli Columbusban található Tudomány és ipar központja interaktív magyarázattal szolgál az egyszerű gépekről.
- a HyperPhysics, a Georgia Állami Egyetem által készített weboldal a hat egyszerű gép magyarázatát illusztrálta.,
keressen néhány szórakoztató tevékenységet egyszerű gépekkel a Chicagói tudományos és ipari Múzeumban.