6シンプルなマシン：作業を容易にする

歴史を通じて、人間は仕事を容易にするためにいくつかのデバイスを開発してきました。 これらの中で最も注目すべきは、”六つの単純な機械”として知られています：車輪と車軸、レバー、傾斜面、滑車、ねじ、およびくさびですが、後者の三つは実際には最初の三つの拡張または組み合わせに過ぎません。,

仕事は運動方向に物体に作用する力と定義されているので、機械は次の機能の一つまたは複数を達成することによって作業を容易にする。

• 力をある場所から別の場所に移動させる、
• 力の方向を変える、
• 力の大きさを増やす、または
• 力の距離または速度を増やす。

単純な機械は、作業を容易にする可動部品がない、または非常に少ないデバイスです。, コロラド大学ボルダー校によると、今日の複雑なツールの多くは、単なる組み合わせまたは六つの単純なマシンのより複雑な形です。 例えば、私達はウインドラスを作るためにシャフトに長いハンドルを付けるか、またはブロックを使用し、傾斜路の上の負荷を引っ張るのに取り組むか これらの機械が簡単、提供し続けたいところはたくさんしかいない。

ホイールと車軸

ホイールは、世界の歴史の中で最も重要な発明の一つであると考えられています。 “紀元前3500年の車輪の発明の前に,、人間は、私たちが土地を輸送することができるどのくらいのもので厳しく制限されていた、とどのくらい遠く、”世界を変えたトップ10の発明”ライブサイエンスの記事でナタリー Wolchoverを書いた。”輪カートは、市場へとから商品の輸送を可能にするだけでなく、大きな距離を移動する人々の負担を緩和することにより、農業や商業を促進しました。”

車輪は目的が表面に動くとき見つけられる摩擦を非常に減らす。, “車輪が付いている小さいカートにあなたのファイルキャビネットを置けば、あなたが一定した速度のキャビネットを動かすために適用する必要がある力を非常に減らすことができる”テネシー大学に従って。

彼の著書”古代科学：先史時代-西暦500″（Gareth Stevens、2010）の中で、Charlie Samuelsは次のように書いています：”世界の一部では、岩やボートなどの重い物体は丸太ローラーを使って動 としてのオブジェクト、ローラーからの背後には、交換フロントです。”これがホイール開発の第一歩でした。,

大きな革新は、しかし、車軸に車輪を取り付けることにありました。 車輪は軸受けによって支えられた車軸に付すことができます、または車軸について自由に回るために作ることができます。 これは、カート、ワゴン、戦車の開発につながった。 サミュエルスによると、考古学者は、比較的先進した文明の指標として、車軸上で回転する車輪の開発を使用しています。 車軸の車輪の最も初期の証拠は、シュメール人によって紀元前3200年頃からのものです。 中国人は紀元前2800年に独立して車輪を発明しました。,

力乗算器

WileyのScience Questによると、摩擦を減らすことに加えて、車輪と車軸も力乗算器として機能することができます。 車輪が車軸に取り付けられ、力が車輪を回すのに使用される場合、車軸の回転力またはトルクは、車輪の縁に加えられる力よりもはるかに大きい。 あるいは、同様の効果を達成するために、長いハンドルを車軸に取り付けることができる。

それぞれの機器すべてのヘ人間の増加および/またはリダイレクトは、オブジェクトです。, 彼らの本”Moving Big Things”（It”s about time、2009）では、Janet L.Kolodnerと彼女の共著者は、”機械は物体を動かすのを助けるために機械的利点を提供する。 機械的な利点は、力と距離の間のトレードオフです。”これらのケースのほとんどでは、摩擦力が関与する入力および出力力に比べて非常に小さいため、入力に加えられる力を増加させる単純なマシンの次の議論では、我々は、摩擦力を無視します。

力が距離にわたって加えられると、仕事が生まれます。, 例えば、物体を持ち上げるには、重力による力を乗り越えて物体を上に動かす作業をしなければなりません。 倍の重さの物体を持ち上げるには、同じ距離を持ち上げるのに倍の作業が必要です。 また、同じオブジェクトを二度遠くに持ち上げるために倍の作業がかかります。 数学で示されているように、機械の主な利点は、より大きな距離にわたってより小さな力を加えることによって、同じ量の作業を行うことができる

レバー

“私にレバーと立つ場所を与え、私は世界を動かすでしょう。”この自慢の主張は、三世紀のギリシャの哲学者、数学者、発明家アルキメデスに起因しています。 それは誇張のビットかもしれませんが、それは、少なくとも比喩的に、世界を動かす、レバレッジの力を表現していません。,

アルキメデスの天才は、同じ量または作業を達成するために、レバーを使用して力と距離の間にトレードオフを作ることができることを認識するこ ニューヨーク大学のクリス-ローレスによる”21世紀のアルキメデス”によると、レバーの法則は”大きさは体重に反比例する距離で平衡状態にある”と述べている。

レバーは、長い梁と支点、またはピボットで構成されています。 レバーの機械的利点は、支点の両側の梁の長さの比に依存する。,

たとえば、100ポンドを持ち上げたいとします。 （45キログラム）体重2フィート（61センチメートル）の地面から。 100ポンドを出すことができます。 2フィートの距離のための上向きの方向の重量に力の、そして私たちは仕事の200ポンドフィート（271ニュートンメートル）を行っています。 しかし、30フィート(9m)のレバーを片方の端に重さの下に置き、1フィート(30.5cm)の支点を重さから10フィート(3m)の梁の下に置くと、もう一方の端を50ポンドで押し下げるだけで済む。 重量を持ち上げる力の（23のkg）。 しかし、レバーの端を4フィート下に押し下げなければならない（1.,2メートル）重量2フィートを持ち上げるために。 レバーを動かす距離を倍にするトレードオフを行いましたが、同じ量の作業を行うために必要な力を半分に減らしました。

傾斜面は、ランプのように斜めに隆起した平らな面です。 オハイオ大学のラス-カレッジ-オブ-エンジニアリング-アンド-テクノロジーの機械工学科の教授であるボブ-ウィリアムズによると、傾斜面は重すぎてまっすぐに持ち上げることができない荷重を持ち上げる方法です。, 角度（傾斜面の急峻さ）は、重量を上げるためにどれくらいの労力が必要かを決定します。 ランプが急であればあるほど、より多くの努力が必要です。 それは私達が私達の100lbを持ち上げればことを意味する。 重量2フィート4フィートの傾斜路の上のそれを転がすことによって、私達は動かさなければならない間隔を倍増している間必要な力を半分に減らす。 8フィート（2.4m）のランプを使用する場合、必要な力を25ポンドだけに減らすことができます。 （11.3kg）。

プーリー

同じ100ポンドを持ち上げたい場合。 重量ロープで、私たちは重量の上の梁に滑車を取り付けることができます。, これは私達をロープでの代りに引き下げることを可能にするが、まだ100つのlbsを要求する。 力の。 しかし、もし私たちが架空梁に取り付けられた二つの滑車と重量に取り付けられたもう一つの滑車を使用し、ロープの一端を梁に取り付け、重量のプーリーを通してそれを実行し、梁のプーリーを通して、私たちは50ポンドでロープを引っ張らなければならないでしょう。 重量を持ち上げる力の、我々は重量を持ち上げるためにロープ4フィートを引っ張る必要がありますが、2フィート。 再び、我々は減少した力のために増加した距離を交換しました。,

さらに大きな距離でさらに少ない力を使用したい場合は、ブロックを使用してタックルすることができます。 サウスカロライナ大学の教材によると、”ブロックとタックルは、何かを持ち上げるために必要な力の量を減らす滑車の組み合わせです。 はないの長さのロープが必要ですのでブロックに取り組む動きも同じです。”

滑車がある簡単、それらはまだ最先端の新しい機械の使用を見つけている。, たとえば、家具サイズのオブジェクトを構築できる3dプリンターであるHangprinterは、壁、床、天井に固定されたワイヤーとコンピュータ制御のプーリーのシステムを採用しています。

Screw

ジョージア州立大学が制作したウェブサイトHyperPhysicsによると、”ねじは本質的にシャフトに巻き付けられた長い傾斜面であるため、その機械的利点は傾斜と同じ方法でアプローチすることができる”と述べている。 多くの装置はねじをねじを回すのに使用される力より大いに大きい力を出すのにねじを使用します。, これらの機器はベンチルーベリと血の上の救世主教会と夏の庭園もナット自動車のホイールです。 それらはねじ自体からだけでなく、ねじを回すのに使用される長いハンドルのてこ比からまた、多くの場合、機械利点を得ます。

ウェッジ

ニューメキシコ鉱業技術研究所によると、”ウェッジは、持ち上げるために負荷の下で駆動される傾斜面を移動している、または分割または,”より長く、より薄いくさびはより短く、より広いくさびより機械利点を与えるが、くさびは何か他のものをする:くさびの主関数は入力力の方向を変える たとえば、ログを分割したい場合は、ハンマーを使用して大きな力でログの端にくさびを下向きに駆動することができ、くさびはこの力を外側にリダイレクトし、木材を分割させます。 もう一つの例は床を渡って滑ることを抵抗する摩擦力に終ってドアの端の下でそれを押すのに使用される力が下方に移る戸当たりである。,

ライブサイエンス寄稿者Charles Q.Choiによる追加レポート

追加リソース

• ヒューストン大学の機械工学と歴史の名誉教授であるJohn H.Lienhardは、”車輪の発明をもう一度見てください。”
• オハイオ州コロンバスにある科学産業センターには、単純な機械のインタラクティブな説明があります。
• HyperPhysics、ジョージア州立大学によって生成されたウェブサイトは、六つの単純なマシンの説明を示しています。,

シカゴの科学産業博物館で簡単な機械を含むいくつかの楽しい活動を見つけてください。

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