6 Macchine semplici :Rendere il lavoro più facile

Nel corso della storia, gli esseri umani hanno sviluppato diversi dispositivi per rendere il lavoro più facile. I più notevoli di questi sono conosciuti come le “sei macchine semplici”: la ruota e l’asse, la leva, il piano inclinato, la puleggia, la vite e il cuneo, anche se questi ultimi tre sono in realtà solo estensioni o combinazioni dei primi tre.,

Perché il lavoro è definito come la forza che agisce su un oggetto nella direzione del moto, una macchina che rende il lavoro più facile da eseguire con la realizzazione di una o più delle seguenti funzioni, secondo Jefferson Lab:

• il trasferimento di una forza da un luogo all’altro,
• cambiare la direzione di una forza,
• aumentando la grandezza di una forza, o
• aumentare la distanza o la velocità di una forza.

Le macchine semplici sono dispositivi senza, o pochissime, parti mobili che facilitano il lavoro., Molti degli strumenti complessi di oggi sono solo combinazioni o forme più complicate delle sei macchine semplici, secondo l ” Università del Colorado a Boulder. Per esempio, potremmo collegare un lungo manico a un albero per fare un verricello, o utilizzare un blocco e affrontare per tirare un carico su una rampa. Mentre queste macchine possono sembrare semplici, continuano a fornirci i mezzi per fare molte cose che non potremmo mai fare senza di loro.

Ruota e asse

La ruota è considerata una delle invenzioni più significative nella storia del mondo. “Prima dell’invenzione della ruota in 3500 B. C.,, gli esseri umani erano severamente limitati in quanta roba potremmo trasportare su terra, e fino a che punto, “ha scritto Natalie Wolchover nell’articolo Live Science” Top 10 Invenzioni che hanno cambiato il mondo.”Carrelli a ruote facilitato l’agricoltura e il commercio, consentendo il trasporto di merci da e per i mercati, oltre ad alleviare gli oneri di persone che viaggiano grandi distanze.”

La ruota riduce notevolmente l’attrito riscontrato quando un oggetto viene spostato su una superficie., “Se metti il tuo schedario su un piccolo carrello con ruote, puoi ridurre notevolmente la forza che devi applicare per spostare l’armadietto a velocità costante”, secondo l’Università del Tennessee.

Nel suo libro “Ancient Science: Prehistory-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels scrive: “In alcune parti del mondo, oggetti pesanti come rocce e barche venivano spostati usando rulli di tronchi. Mentre l’oggetto si muoveva in avanti, i rulli venivano presi da dietro e sostituiti davanti.”Questo è stato il primo passo nello sviluppo della ruota.,

La grande innovazione, però, era nel montare una ruota su un asse. La ruota poteva essere fissata ad un asse sostenuto da un cuscinetto, oppure poteva essere fatta girare liberamente attorno all’asse. Ciò ha portato allo sviluppo di carri, carri e carri. Secondo Samuels, gli archeologi usano lo sviluppo di una ruota che ruota su un asse come indicatore di una civiltà relativamente avanzata. La prima prova di ruote su assi è da circa 3200 AC dai Sumeri. I cinesi hanno inventato indipendentemente la ruota in 2800 B. C.,

Moltiplicatori di forza

Oltre a ridurre l’attrito, una ruota e un asse possono anche fungere da moltiplicatore di forza, secondo Science Quest di Wiley. Se una ruota è attaccata ad un asse e una forza è usata per girare la ruota, la forza di rotazione, o la coppia di torsione, sull’asse è molto più grande della forza applicata al cerchio della ruota. In alternativa, un manico lungo può essere fissato all’asse per ottenere un effetto simile.

Le altre cinque macchine aiutano tutte gli esseri umani ad aumentare e/o reindirizzare la forza applicata a un oggetto., Nel loro libro “Moving Big Things” (It”s about time, 2009), Janet L. Kolodner e i suoi coautori scrivono: “Le macchine forniscono un vantaggio meccanico per aiutare a spostare oggetti. Il vantaggio meccanico è il compromesso tra forza e distanza.”Nella seguente discussione sulle macchine semplici che aumentano la forza applicata al loro ingresso, trascureremo la forza di attrito, perché nella maggior parte di questi casi, la forza di attrito è molto piccola rispetto alle forze di ingresso e di uscita coinvolte.

Quando una forza viene applicata su una distanza, produce lavoro., Matematicamente, questo è espresso come W = F × D. Ad esempio, per sollevare un oggetto, dobbiamo lavorare per superare la forza dovuta alla gravità e spostare l’oggetto verso l’alto. Per sollevare un oggetto che è due volte più pesante, ci vuole il doppio del lavoro per sollevarlo alla stessa distanza. Ci vuole anche il doppio del lavoro per sollevare lo stesso oggetto due volte più lontano. Come indicato dalla matematica, il vantaggio principale delle macchine è che ci permettono di fare la stessa quantità di lavoro applicando una minore quantità di forza su una distanza maggiore.

Leva

“Dammi una leva e un posto dove stare, e io” ll spostare il mondo.”Questa affermazione vanagloriosa è attribuita al filosofo greco, matematico e inventore Archimede del terzo secolo. Anche se può essere un po ‘ esagerato, esprime il potere della leva finanziaria, che, almeno in senso figurato, muove il mondo.,

Il genio di Archimede era quello di rendersi conto che per realizzare la stessa quantità o lavoro, si poteva fare un compromesso tra forza e distanza usando una leva. La sua Legge della leva afferma: “Le grandezze sono in equilibrio a distanze reciprocamente proporzionali ai loro pesi”, secondo” Archimede nel 21 ° secolo”, un libro virtuale di Chris Rorres alla New York University.

La leva è costituita da una trave lunga e da un fulcro, o perno. Il vantaggio meccanico della leva dipende dal rapporto tra le lunghezze della trave su entrambi i lati del fulcro.,

Ad esempio, diciamo che vogliamo sollevare un 100-lb. (45 kg) peso 2 piedi (61 centimetri) da terra. Possiamo esercitare 100 libbre. di forza sul peso nella direzione verso l’alto per una distanza di 2 piedi , e abbiamo fatto 200 libbra-piedi (271 Newton-metri) di lavoro. Tuttavia, se dovessimo usare una leva di 30 piedi (9 m) con un’estremità sotto il peso e un fulcro di 1 piede (30,5 cm) posto sotto la trave a 10 piedi (3 m) dal peso, dovremmo solo spingere verso il basso sull’altra estremità con 50 libbre. (23 kg) di forza per sollevare il peso. Tuttavia, dovremmo spingere l’estremità della leva verso il basso 4 piedi (1.,2 m) per sollevare il peso di 2 piedi. Abbiamo fatto un trade-off in cui abbiamo raddoppiato la distanza che dovevamo spostare la leva, ma abbiamo diminuito la forza necessaria della metà per fare la stessa quantità di lavoro.

Piano inclinato

Il piano inclinato è semplicemente una superficie piana sollevata ad angolo, come una rampa. Secondo Bob Williams, professore del dipartimento di ingegneria meccanica presso il Russ College of Engineering and Technology dell’Ohio University, un piano inclinato è un modo per sollevare un carico che sarebbe troppo pesante per sollevarlo verso l’alto., L’angolo (la pendenza del piano inclinato) determina quanto sforzo è necessario per aumentare il peso. Più ripida è la rampa, maggiore è lo sforzo richiesto. Ciò significa che se solleviamo le nostre 100 libbre. peso 2 piedi arrotolandolo su una rampa di 4 piedi, riduciamo la forza necessaria della metà raddoppiando la distanza che deve essere spostata. Se dovessimo usare una rampa di 8 piedi (2,4 m), potremmo ridurre la forza necessaria a soli 25 libbre. (11,3 kg).

Puleggia

Se vogliamo sollevare lo stesso 100-lb. peso con una corda, potremmo attaccare una puleggia a una trave sopra il peso., Questo ci permetterebbe di tirare verso il basso invece di salire sulla corda, ma richiede ancora 100 libbre. di forza. Tuttavia, se dovessimo usare due pulegge-una attaccata alla trave aerea e l’altra attaccata al peso — e dovessimo attaccare un’estremità della corda alla trave, farla passare attraverso la puleggia sul peso e poi attraverso la puleggia sulla trave, dovremmo solo tirare la corda con 50 libbre. di forza per sollevare il peso, anche se avremmo dovuto tirare la corda 4 piedi per sollevare il peso 2 piedi. Ancora una volta, abbiamo scambiato una maggiore distanza per una diminuzione della forza.,

Se vogliamo usare ancora meno forza su una distanza ancora maggiore, possiamo usare un blocco e affrontare. Secondo i materiali del corso dell’Università della Carolina del Sud, “Un blocco e un placcaggio sono una combinazione di pulegge che riduce la quantità di forza necessaria per sollevare qualcosa. Il compromesso è che una lunghezza più lunga della corda è necessaria per un blocco e affrontare per spostare qualcosa alla stessa distanza.”

Per quanto semplici siano le pulegge, stanno ancora trovando impiego nelle nuove macchine più avanzate., Ad esempio, Hangprinter, una stampante 3D in grado di costruire oggetti di dimensioni mobili, impiega un sistema di fili e pulegge controllate da computer ancorate alle pareti, al pavimento e al soffitto.

Vite

“Una vite è essenzialmente un lungo piano inclinato avvolto attorno a un albero, quindi il suo vantaggio meccanico può essere affrontato allo stesso modo della pendenza”, secondo HyperPhysics, un sito web prodotto dalla Georgia State University. Molti dispositivi utilizzano viti per esercitare una forza che è molto maggiore della forza utilizzata per ruotare la vite., Questi dispositivi includono morse da banco e dadi alette su ruote di automobili. Ottengono un vantaggio meccanico non solo dalla vite stessa, ma anche, in molti casi, dalla leva di un lungo manico utilizzato per girare la vite.

Cuneo

Secondo il New Mexico Institute of Mining and Technology, “I cunei stanno muovendo piani inclinati che sono guidati sotto carichi da sollevare, o in un carico da dividere o separare.,”Un cuneo più lungo e più sottile dà più vantaggio meccanico di un cuneo più corto e più largo, ma un cuneo fa qualcos’altro: la funzione principale di un cuneo è cambiare la direzione della forza di ingresso. Ad esempio, se vogliamo dividere un tronco, possiamo guidare un cuneo verso il basso all’estremità del tronco con grande forza usando un martello, e il cuneo reindirizzerà questa forza verso l’esterno, causando la divisione del legno. Un altro esempio è un fermaporta, dove la forza utilizzata per spingerlo sotto il bordo della porta viene trasferita verso il basso, con conseguente forza di attrito che resiste a scivolare sul pavimento.,

Additional reporting by Charles D. Choi, Vivere la Scienza collaboratore

risorse Aggiuntive

• John H. Lienhard, professore emerito di ingegneria meccanica e storia presso l’Università di Houston, prende “un altro sguardo all’invenzione della ruota.”
• Il Centro della Scienza e dell’industria a Columbus, Ohio, ha una spiegazione interattiva di macchine semplici.
• HyperPhysics, un sito web prodotto dalla Georgia State University, ha illustrato le spiegazioni delle sei semplici macchine.,

Trova alcune attività divertenti che coinvolgono macchine semplici al Museo della Scienza e dell’Industria di Chicago.

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