6 Enkle Maskiner: Gjør Arbeidet Lettere
Gjennom historien, menneskene har utviklet flere enheter for å gjøre arbeidet lettere. Den mest kjente av disse er kjent som «seks enkle maskiner»: hjul og aksel, lever, skråplan, skivene, skruen og kilen, selv om de tre siste er faktisk bare utvidelser eller kombinasjoner av de tre første.,
Fordi arbeid er definert som kraften som virker på en gjenstand i retning av bevegelse, en maskin som gjør det enklere å utføre ved å gjennomføre ett eller flere av følgende funksjoner, i henhold til Jefferson Lab:
- overføre kraft fra ett sted til et annet,
- endre retning av en kraft,
- for å øke omfanget av en kraft, eller
- økende avstand og hastighet av en kraft.
Enkle maskiner er enheter med ingen, eller svært få, bevegelige deler som gjør arbeidet enklere., Mange av dagens»s komplekse verktøy er bare kombinasjoner eller mer kompliserte former av de seks enkle maskiner, ifølge University of Colorado i Boulder. Vi kan For eksempel legge ved lange håndtak til en aksel for å gjøre en vindmåler, sonar, eller bruk en taljer å trekke en last opp en rampe. Mens disse maskinene kan virke enkel, fortsetter de å gi oss midler til å gjøre mange ting som vi aldri kunne gjøre uten dem.
– Hjul og aksel
hjulet er ansett for å være en av de viktigste oppfinnelsene i historien av verden. «Før oppfinnelsen av hjulet i 3500 B. C., mennesket ble sterkt begrenset i hvor mye ting vi kunne transport over land, og hvor langt,» skrev Natalie Wolchover i Live Science-artikkelen «Topp 10 Oppfinnelser som Forandret Verden.»»Hjul vognene tilrettelagt for landbruk og handel ved å aktivere transport av varer til og fra markeder, samt lettelser byrdene av folk som reiser store avstander.»
hjulet reduserer friksjon som kan oppstå når et objekt er flyttet over en overflate., «Hvis du setter din fil skap på en liten vogn med hjul, kan du i stor grad reduserer kraften du må bruke for å flytte skap med konstant hastighet,» ifølge University of Tennessee.
I sin bok «Gamle Vitenskapen: Forhistorie-A. D. 500» (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels skriver: «I deler av verden, tunge gjenstander som steiner og båter ble flyttet ved hjelp av logg valser. Som objektet beveget seg fremover, valser ble tatt bakfra og erstattet i front.»Dette var første trinn i utviklingen av hjulet.,
Det stor innovasjon, skjønt, var i montering av et hjul på en aksel. Hjulet kan være festet til en aksel som ble støttet av betydning, eller det kan være laget å slå seg fritt rundt akselen. Dette førte til utviklingen av vognene, vogner og vogner. Ifølge Samuels, arkeologer bruker utviklingen av et hjul som roterer på en aksel som en indikator på et relativt avansert sivilisasjon. De tidligste bevis på hjul på aksler er fra ca 3200 B. C. av Sumerians. Den Kinesiske uavhengig oppfunnet hjulet i 2800 B. C.,
Force multiplikatorer
I tillegg til å redusere friksjon, et hjul og aksel kan også tjene som en styrkemultiplikator, i henhold til Vitenskapen Oppdrag fra Wiley. Hvis hjulet er festet til en aksel, og en kraft brukes til å slå hjul, den roterende kraft eller moment, på aksel er mye større enn kraften brukes til kanten av hjulet. Alternativt, lange håndtak kan være festet til akselen til å oppnå en lignende effekt.
De fem andre maskiner hjelpe mennesker med å øke og/eller omdirigere force brukes til et objekt., I sin bok «å Flytte Store Ting» (Det er på tide, 2009), Janet L. Kolodner og hennes medforfattere skriver, «Maskiner gir en mekanisk fordel å bistå i bevegelige objekter. Mekanisk fordel er trade-off mellom kraft og avstand.»I den følgende diskusjonen av enkle maskiner som øker styrken brukt til deres innspill, vil vi overse kraften av friksjon, fordi det i de fleste av disse tilfellene, friksjons-force er svært liten i forhold til inngang og utgang kreftene som er involvert.
Når en kraft som er brukt over en avstand, det produserer arbeid., Matematisk sett, dette er uttrykt som W = F × D. For eksempel, for å løfte et objekt, må vi gjøre arbeid for å overvinne kraften på grunn av tyngdekraften, og flytte objektet oppover. For å løfte en gjenstand som er dobbelt så tung, det tar dobbelt så mye arbeid for å løfte den på samme avstand. Det tar også dobbelt så mye arbeid for å løfte den samme element to ganger så langt. Som indikert av matematikk, den viktigste fordelen av maskiner er at de gir oss mulighet til å gjøre samme mengde arbeid ved å bruke en mindre mengde av kraft over et større avstand.
Spaken
«Gi meg en spak og et sted å stå, og jeg vil flytte verden.»Dette brautende krav er knyttet til det tredje århundre, den greske filosof, matematiker og oppfinner Arkimedes. Mens det kan være litt av en overdrivelse, det gjør express kraften i innflytelse, som, i hvert fall i overført betydning, som beveger verden.,
geni Arkimedes var å innse at for å oppnå samme mengde arbeid, vil man kunne gjøre en trade-off mellom kraft og avstand ved hjelp av en spak. Hans Lov av Spaken stater, «Størrelsene er i likevekt på avstander reciprocally proporsjonal til deres vekter,» i henhold til «Arkimedes i det 21. Århundre,» en virtuell bok av Chris Rorres ved New York University.
spaken består av en lang stråle og en fulcrum, eller pivot. Den mekaniske nytte av spaken avhenger av forholdet mellom lengdene av bredde på hver side av fulcrum.,
For eksempel, la oss si vi ønsker å løfte en 100-lb. (45 kg) vekt 2 fot (61 cm) av bakken. Vi kan utøve 100 kg. av kraft på vekten i oppadgående retning for en avstand på 2 meter , og vi har gjort 200 kilo-meter (271 Newton-meter) av arbeidet. Imidlertid, hvis vi skulle bruke en 30-fots (9 m) håndtaket med den ene enden under vekten og en 1-fot (30.5 cm) fulcrum plassert under bjelken 10 fot (3 m) fra vekt, ville vi bare har å presse ned på den andre enden med 50 kg. (23 kg) av kraft til å løfte vekten. Men, vi må presse på enden av spaken ned 4 meter (1.,2 m) for å løfte vekten 2 meter. Vi har laget en trade-off som vi doblet avstanden vi måtte flytte spaken, men vi redusert den nødvendige kraften til det halve for å gjøre samme mengde arbeid.
skråplan
skråplanet er rett og slett en flat overflate oppvokst i en vinkel som en rampe. I henhold til Bob Williams, en professor i department of mechanical engineering ved Russ College of Engineering and Technology ved Ohio University, en skråning er en måte å løfte en last som ville bli for tung å løfte rett opp., Vinkelen (den steepness av skråplanet) bestemmer hvor mye arbeid det er behov for å øke vekten. Jo brattere rampe, jo mer arbeid er nødvendig. Det betyr at hvis vi løfter våre 100-lb. vekt 2 føtter ved å rulle det opp en 4-foten rampe, reduserer vi den nødvendige kraften til det halve, mens dobling av avstanden det må bli flyttet. Hvis vi skulle bruke en 8 fots (2,4 m) rampe, vi kunne redusere den nødvendige kraft til å bare 25 lbs. (11.3 kg).
Trinse
Hvis vi ønsker å løfte det samme 100-lb. vekt med et tau, vi kunne feste en trinse til en bjelke over vekt., Dette ville la oss trekke ned i stedet for opp på tau, men det krever fortsatt 100 kg. i kraft. Imidlertid, hvis vi skulle bruke to trinser — ett-maskinen koblet til overhead bredde, og den andre knyttet til vekt — og vi var å feste den ene enden av tauet til strålen, kjøre det gjennom trinsen på vekt og deretter gjennom trinsen på strålen, vi ville bare ha til å trekke i tauet med 50 kg. kraft til å løfte vekten, selv om vi ville ha til å trekke i tauet 4 føtter til å løfte vekten 2 meter. Igjen, vi har handlet økt avstand for redusert kraft.,
Hvis vi ønsker å bruke enda mindre kraft over en enda større avstand, kan vi bruke en taljer. I henhold til kurs materialer fra University of South Carolina, «En taljer er en kombinasjon av trinser, noe som reduserer mengden av kraft som kreves for å løfte noe. Trade-off er at en lengre lengde på tau som er nødvendig for en taljer å flytte noe av den samme distansen.»
så enkelt Som trinser er, de er fortsatt å finne bruk i de mest avanserte, nye maskiner., For eksempel, den Hangprinter, en 3D-printer som kan bygge møbler-størrelse objekter, sysselsetter et system av ledninger og datastyrte trinser forankret til vegger, gulv og tak.
Skru
«En skrue er egentlig en lang skrå-planet pakket rundt en aksling, så det er en mekanisk fordel kan bli kontaktet på samme måte som den skrå,» i henhold til HyperPhysics, en nettside som er produsert ved Georgia State University. Mange enheter bruke skruer til å utøve en kraft som er mye større enn kraften som brukes til å skru skruen., Disse enhetene inkluderer benken laster og slepe nøtter på bil hjul. De få en mekanisk fordel, ikke bare fra skruen seg selv, men også, i mange tilfeller, fra giring på lange håndtak som brukes til å skru skruen.
Kile
Ifølge New Mexico Institute of Mining and Technology, «Kiler er i bevegelse skråplan som er drevet under belastninger for å løfte, eller i en legg til split eller separat.,»En lengre, tynnere kile gir mer mekanisk fordel enn en kortere, bredere kile, men en kile gjør noe annet: Den viktigste funksjonen av en kile er å endre retningen av input kraft. For eksempel, hvis vi ønsker å dele en logg, kan vi drive en kile nedover i slutten av loggen med stor kraft ved hjelp av en slegge, og kilen vil omdirigere denne kraften utover, slik at tre til split. Et annet eksempel er en doorstop, hvor kraften som brukes til å skyve det under kanten av døren er overført nedover, noe som resulterer i friksjons-styrke som motstår gli over gulvet.,
Ekstra rapportering av Charles Q. Choi, Live Science bidragsyter
Ekstra ressurser
- John H. Lienhard, professor i mechanical engineering og historie ved University of Houston, tar en titt på oppfinnelsen av hjulet.»
- Senter for Vitenskap og Industri i Columbus, Ohio, har en interaktiv forklaring av enkle maskiner.
- HyperPhysics, en nettside som er produsert ved Georgia State University, har illustrert forklaringer av de seks enkle maskiner.,
Finne noen morsomme aktiviteter som involverer enkle maskiner på Museum of Science and Industry i Chicago.