6 prostych maszyn: ułatwiających pracę
w całej historii ludzie opracowali kilka urządzeń, które ułatwiają pracę. Najbardziej godne uwagi z nich są znane jako „sześć prostych maszyn”: koło i oś, dźwignia, nachylona płaszczyzna, koło pasowe, śruba i klin, chociaż trzy ostatnie są w rzeczywistości tylko rozszerzeniami lub kombinacjami pierwszych trzech.,
ponieważ praca jest zdefiniowana jako siła działająca na obiekt w kierunku ruchu, maszyna ułatwia pracę, spełniając jedną lub więcej z następujących funkcji, zgodnie z Jefferson Lab:
- przenoszenie siły z jednego miejsca do drugiego,
- zmiana kierunku siły,
- zwiększenie wielkości siły lub
- zwiększenie odległości lub prędkości siły.
proste maszyny to urządzenia bez lub bardzo nieliczne ruchomych części, które ułatwiają pracę., Wiele z dzisiejszych złożonych narzędzi to tylko kombinacje lub bardziej skomplikowane formy sześciu prostych maszyn, zgodnie z University of Colorado at Boulder. Na przykład możemy przymocować długi uchwyt do wału, aby zrobić windę kotwiczną, lub użyć bloku i uchwytu, aby wyciągnąć ładunek na rampę. Chociaż te maszyny mogą wydawać się proste, nadal zapewniają nam środki do robienia wielu rzeczy, których nigdy nie moglibyśmy zrobić bez nich.
Koło i oś
koło jest uważane za jeden z najważniejszych wynalazków w historii świata. „Przed wynalezieniem koła w 3500 p. n. e.,, ludzie byli poważnie ograniczeni w tym, ile rzeczy możemy przetransportować na lądzie i jak daleko, „napisała Natalie Wolchover w artykule żywa Nauka” Top 10 wynalazków, które zmieniły świat.”Wózki kołowe ułatwiały Rolnictwo i handel, umożliwiając transport towarów na i z rynków, a także zmniejszając obciążenia osób podróżujących na duże odległości.”
koło znacznie zmniejsza tarcie występujące podczas poruszania się obiektu po powierzchni., „Jeśli umieścisz swoją szafkę na małym wózku z kołami, możesz znacznie zmniejszyć siłę, którą musisz zastosować, aby przesunąć szafkę ze stałą prędkością”, mówi Uniwersytet Tennessee.
w swojej książce „Ancient Science: Prehistory-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010) Charlie Samuels pisze: „w niektórych częściach świata ciężkie przedmioty, takie jak skały i łodzie, były przenoszone za pomocą rolek z drewna. Gdy obiekt poruszał się do przodu, rolki były brane od tyłu i wymieniane z przodu.”Był to pierwszy krok w rozwoju koła.,
wielką innowacją było jednak zamontowanie koła na osi. Koło może być przymocowane do osi, która była podparta przez łożysko, lub może być wykonane, aby swobodnie obracać się wokół osi. Doprowadziło to do rozwoju wozów, wozów i rydwanów. Według Samuelsa archeolodzy wykorzystują rozwój koła, które obraca się na osi jako wskaźnik stosunkowo zaawansowanej cywilizacji. Najwcześniejsze dowody istnienia kół na osiach pochodzą z około 3200 roku p. n. e.przez Sumerów. Chińczycy niezależnie wynaleźli koło w 2800 roku p. n. e.,
mnożniki siły
oprócz zmniejszenia tarcia, koło i oś mogą również służyć jako mnożnik siły, zgodnie z Science Quest Wiley. Jeśli koło jest przymocowane do osi, a siła jest używana do obracania koła, siła obrotowa lub moment obrotowy na osi jest znacznie większa niż siła przyłożona do obręczy koła. Alternatywnie do osi można przymocować długi uchwyt, aby uzyskać podobny efekt.
pozostałe pięć maszyn pomaga ludziom zwiększyć i/lub przekierować siłę przyłożoną do obiektu., Janet L. Kołodner i jej współautorzy w swojej książce „Moving Big Things” (it”s about time”, 2009) piszą: „maszyny zapewniają mechaniczną przewagę, pomagając w poruszaniu się obiektów. Zaletą mechaniczną jest kompromis między siłą a odległością.”W poniższej dyskusji na temat prostych maszyn, które zwiększają siłę przyłożoną do ich wejścia, zaniedbamy siłę tarcia, ponieważ w większości tych przypadków siła tarcia jest bardzo mała w porównaniu do sił wejściowych i wyjściowych.
gdy siła jest przykładana na odległość, wytwarza pracę., Matematycznie jest to wyrażone jako W = F × D. na przykład, aby podnieść obiekt, musimy wykonać pracę, aby pokonać siłę spowodowaną grawitacją i przesunąć obiekt w górę. Aby podnieść przedmiot, który jest dwa razy cięższy, potrzeba dwa razy więcej pracy, aby podnieść go na tę samą odległość. Potrzeba również dwa razy więcej pracy, aby podnieść ten sam obiekt dwa razy dalej. Jak wskazuje matematyka, główną zaletą maszyn jest to, że pozwalają nam wykonywać tę samą pracę, stosując mniejszą siłę na większą odległość.
Dźwignia
„Daj mi dźwignię i miejsce do stania, a ja poruszę świat.”To chełpliwe twierdzenie przypisuje się greckiemu filozofowi, matematykowi i wynalazcy z III wieku Archimedesowi. Choć może to być trochę przesada, wyraża siłę dźwigni, która, przynajmniej w przenośni, porusza świat.,
geniuszem Archimedesa było uświadomienie sobie, że aby osiągnąć taką samą ilość lub pracę, można dokonać kompromisu między siłą a odległością za pomocą dźwigni. Jego prawo dźwigni mówi: „Magnitudy są w równowadze na odległościach proporcjonalnie do ich wagi”, według” Archimedesa w XXI wieku”, wirtualnej książki Chrisa Rorresa Z New York University.
dźwignia składa się z długiej belki i podparcia, czyli sworznia. Przewaga mechaniczna dźwigni zależy od stosunku długości belki po obu stronach punktu podparcia.,
na przykład, powiedzmy, że chcemy podnieść 100 funtów. (45 kilogramów) waga 2 stopy (61 centymetrów) nad ziemią. Możemy wywierać 100 funtów. siły na ciężar w kierunku góry na odległość 2 stóp, a my zrobiliśmy 200 funtów stóp (271 Newton-metrów) pracy. Jednak gdybyśmy mieli użyć dźwigni o długości 9 metrów z jednym końcem pod ciężarem i punktem podparcia o długości 30,5 cm umieszczonym pod belką o długości 3 metrów od ciężaru, musielibyśmy tylko wcisnąć drugi koniec z 50 funtów. (23 kg) siły do podnoszenia ciężaru. Musimy jednak wcisnąć koniec dźwigni w dół o 4 stopy (1.,2 m) w celu podniesienia ciężaru o 2 stopy. Dokonaliśmy kompromisu, w którym podwoiliśmy odległość, jaką musieliśmy przesunąć dźwignię, ale zmniejszyliśmy potrzebną siłę o połowę, aby wykonać taką samą pracę.
nachylona płaszczyzna
nachylona płaszczyzna jest po prostu płaską powierzchnią podniesioną pod kątem, jak rampa. Według Boba Williamsa, profesora na Wydziale Inżynierii Mechanicznej w Russ College of Engineering and Technology na Uniwersytecie Ohio, nachylony samolot jest sposobem podnoszenia ładunku, który byłby zbyt ciężki, aby podnieść go prosto do góry., Kąt (stromość nachylonej płaszczyzny) określa, ile wysiłku potrzeba, aby podnieść ciężar. Im bardziej stroma rampa, tym większy wysiłek jest wymagany. To oznacza, że jeśli podniesiemy nasze 100 funtów. waga 2 stopy zwijając ją po 4-metrowej rampie, zmniejszamy wymaganą siłę o połowę, podwajając odległość, którą należy przesunąć. Gdybyśmy mieli użyć rampy o długości 2,4 m, moglibyśmy zmniejszyć wymaganą siłę do zaledwie 25 funtów. (11,3 kg).
Koło Pasowe
ciężar za pomocą liny możemy przymocować koło pasowe do belki nad ciężarem., To pozwoli nam pociągnąć w dół zamiast na linie, ale nadal wymaga 100 funtów. siły. Jednak gdybyśmy mieli użyć dwóch kół pasowych-jednego przymocowanego do belki napowietrznej, a drugiego przymocowanego do ciężaru — i mieliśmy przymocować jeden koniec liny do belki, przepuścić ją przez Koło pasowe na ciężarze, a następnie przez Koło pasowe na belce, musielibyśmy tylko pociągnąć za linę z 50 funtów. siły, aby podnieść ciężar, chociaż musielibyśmy pociągnąć linę 4 stopy, aby podnieść ciężar 2 stopy. Ponownie wymieniliśmy zwiększony dystans na zmniejszoną siłę.,
Jeśli chcemy użyć jeszcze mniejszej siły na jeszcze większą odległość, możemy użyć bloku i kija. Według materiałów z kursu z University of South Carolina, ” block and tackle jest kombinacją kół pasowych, która zmniejsza ilość siły wymaganej do podniesienia czegoś. Kompromis polega na tym, że dłuższa długość liny jest wymagana dla bloku i rozwiązania, aby przenieść coś na tę samą odległość.”
tak proste, jak koła pasowe, nadal znajdują zastosowanie w najbardziej zaawansowanych nowych maszynach., Na przykład, Hangprinter, Drukarka 3D, która może tworzyć obiekty o rozmiarach mebli, wykorzystuje system drutów i sterowanych komputerowo kół pasowych przymocowanych do ścian, podłogi i sufitu.
Śruba
„śruba to zasadniczo długa płaszczyzna nachylenia owinięta wokół wału, więc jej mechaniczna zaleta może być zbliżona do nachylenia”, według HyperPhysics, strony internetowej wyprodukowanej przez Georgia State University. Wiele urządzeń używa śrub, aby wywierać siłę, która jest znacznie większa niż siła używana do obracania śruby., Urządzenia te obejmują Imadła stołowe i nakrętki na kółkach samochodowych. Zyskują one mechaniczną przewagę nie tylko dzięki samej śrubie, ale także, w wielu przypadkach, dzięki dźwigni długiego uchwytu używanego do obracania śruby.
Klin
według New Mexico Institute of Mining and Technology ” Kliny poruszają się pochylonymi płaszczyznami, które są napędzane pod obciążeniami w celu podniesienia lub do obciążenia w celu podziału lub oddzielenia.,”Dłuższy, cieńszy klin daje większą przewagę mechaniczną niż krótszy, szerszy klin, ale klin robi coś innego: główną funkcją klina jest zmiana kierunku siły wejściowej. Na przykład, jeśli chcemy podzielić kłodę, możemy wbić klin w dół do końca kłody z dużą siłą za pomocą młota kowalskiego, a klin przekieruje tę siłę na zewnątrz, powodując rozerwanie drewna. Innym przykładem jest blokada drzwi, gdzie siła użyta do pchnięcia go pod krawędzią drzwi jest przenoszona w dół, co powoduje siłę tarcia, która jest odporna na ślizganie się po podłodze.,
dodatkowe informacje Charles Q. Choi, współpracownik naukowy na żywo
dodatkowe zasoby
- John H. Lienhard, Emerytowany profesor inżynierii mechanicznej i historii na Uniwersytecie w Houston, podejmuje „kolejne spojrzenie na wynalazek koła.”
- Centrum Nauki i przemysłu w Columbus, Ohio, ma interaktywne Wyjaśnienie prostych maszyn.
- HyperPhysics, strona internetowa Wyprodukowana przez Georgia State University, zilustrowała objaśnienia sześciu prostych maszyn.,
w Muzeum Nauki i przemysłu w Chicago znajdziesz ciekawe zajęcia z wykorzystaniem prostych maszyn.