6 máquinas simples: tornando o trabalho mais fácil
ao longo da história, os seres humanos desenvolveram vários dispositivos para tornar o trabalho mais fácil. Os mais notáveis destes são conhecidos como as “seis máquinas simples”: a roda e eixo, a alavanca, o plano inclinado, a roldana, o parafuso, e a cunha, embora os últimos três são na verdade apenas extensões ou combinações dos três primeiros.,
Porque o trabalho é definida como uma força atuando sobre um objeto na direção do movimento, uma máquina faz o trabalho mais fácil para executar com a realização de uma ou mais das seguintes funções, de acordo com Jefferson Lab:
- a transferência de uma força, de um lugar para outro,
- alterar a direção de uma força,
- aumentar a magnitude de uma força, ou
- aumentar a distância ou a velocidade de uma força.
Máquinas simples são dispositivos sem, ou muito poucos, peças móveis que tornam o trabalho mais fácil., Muitas das ferramentas complexas de hoje são apenas combinações ou formas mais complicadas das seis máquinas simples, de acordo com a Universidade do Colorado em Boulder. Por exemplo, nós podemos anexar um cabo longo a um eixo para fazer um windlass, ou usar um bloco e tackle para puxar uma carga acima de uma rampa. Embora estas máquinas possam parecer simples, elas continuam a fornecer-nos os meios para fazer muitas coisas que nunca poderíamos fazer sem elas.
roda e eixo
a roda é considerada uma das invenções mais significativas na história do mundo. “Antes da invenção da roda em 3500 a. C.,, os humanos foram severamente limitados em quanto material poderíamos transportar sobre a terra, e quão longe”, escreveu Natalie Wolchover no artigo de ciência ao vivo ” Top 10 invenções que mudaram o mundo.””Carrinhos de rodas facilitou a agricultura e o comércio, permitindo o transporte de mercadorias de e para os mercados, bem como aliviar os encargos das pessoas que viajam grandes distâncias.”
a roda reduz grandemente o atrito encontrado quando um objeto é movido sobre uma superfície., “Se você colocar seu armário de arquivos em um carrinho pequeno com rodas, você pode reduzir muito a força que você precisa aplicar para mover o armário com velocidade constante”, de acordo com a Universidade do Tennessee.
em seu livro “Ancient Science: Prehistory-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels escreve: “em partes do mundo, objetos pesados como rochas e barcos foram movidos usando rolos de madeira. À medida que o objeto avançava, os rolos eram retirados de trás e substituídos na frente.”Este foi o primeiro passo no desenvolvimento da roda.,a grande inovação, porém, foi a montagem de uma roda sobre um eixo. A roda poderia ser ligada a um eixo que fosse suportado por um rolamento, ou poderia ser feita para girar livremente sobre o eixo. Isto levou ao desenvolvimento de carros, vagões e carruagens. De acordo com Samuels, arqueólogos usam o desenvolvimento de uma roda que gira em um eixo como um indicador de uma civilização relativamente avançada. A primeira evidência de rodas sobre eixos é de cerca de 3200 a. C. pelos sumérios. Os chineses independentemente inventaram a roda em 2800 a. C.,
multiplicadores de força
além de reduzir o atrito, uma roda e eixo também pode servir como multiplicador de força, de acordo com a Science Quest from Wiley. Se uma roda estiver ligada a um eixo e for utilizada uma força para rodar a roda, a força de rotação, ou torque, no eixo é muito maior do que a força aplicada à jante da roda. Alternativamente, um manípulo longo pode ser ligado ao eixo para alcançar um efeito semelhante.as outras cinco máquinas ajudam os seres humanos a aumentar e / ou redirecionar a força aplicada a um objeto., Em seu livro “Moving Big Things” (it’s about time, 2009), Janet L. Kolodner e seus co-autores escrevem:”máquinas fornecem vantagem mecânica para ajudar em objetos em movimento. A vantagem mecânica é a troca entre a força e a distância.”Na seguinte discussão sobre as máquinas simples que aumentam a força aplicada à sua entrada, negligenciaremos a força de atrito, porque na maioria destes casos, a força de atrito é muito pequena em comparação com as forças de entrada e saída envolvidas.quando uma força é aplicada à distância, ela produz trabalho., Matematicamente, isto é expresso como W = F × D. Por exemplo, para levantar um objeto, devemos trabalhar para superar a força devido à gravidade e mover o objeto para cima. Para levantar um objeto que é duas vezes mais pesado, é preciso o dobro do trabalho para levantá-lo a mesma distância. Também é preciso o dobro de trabalho para levantar o mesmo objeto duas vezes mais longe. Como indicado pela matemática, o principal benefício das máquinas é que elas nos permitem fazer a mesma quantidade de trabalho aplicando uma menor quantidade de força sobre uma maior distância.
Lever
“Give me a lever and a place to stand, and I”ll move the world. Esta afirmação arrogante é atribuída ao filósofo, matemático e inventor grego Arquimedes, do século III. Embora possa ser um pouco exagerado, expressa o poder da alavancagem, que, pelo menos figurativamente, move o mundo.,
O gênio de Arquimedes era perceber que, a fim de realizar a mesma quantidade ou Trabalho, poderia-se fazer uma troca entre força e distância usando uma alavanca. Sua lei da alavanca afirma que” as Magnitudes estão em equilíbrio a distâncias reciprocamente proporcionais aos seus pesos”, de acordo com” Archimedes in the 21st Century”, um livro virtual de Chris Rores na Universidade de Nova Iorque.
a alavanca é constituída por um feixe longo e um fulcro, ou pivô. A vantagem mecânica da alavanca depende da relação entre os comprimentos do feixe de ambos os lados do fulcro.,por exemplo, digamos que queremos levantar um 100-lb. (45 kg) peso a 2 pés (61 cm) do solo. Podemos exercer 100 quilos. de força sobre o peso na direção ascendente para uma distância de 2 pés, e nós fizemos 200 libras-pés (271 Newton-metros) de trabalho. No entanto, se usássemos uma alavanca de 9 metros (9 m) com uma extremidade abaixo do peso e um fulcro de 1 pé (30,5 cm) colocado sob o feixe a 3 metros do peso, só teríamos de empurrar para baixo na outra extremidade com 50 lbs. (23 kg) de força para levantar o peso. No entanto, teríamos de empurrar a extremidade da alavanca para baixo 4 pés (1.,2 m) a fim de levantar o peso 2 pés. Fizemos uma troca em que duplicámos a distância que tínhamos para mover a alavanca, mas diminuímos a força necessária para fazer o mesmo trabalho.
plano Inclinado
O plano inclinado é simplesmente uma superfície plana levantado em ângulo, como uma rampa. De acordo com Bob Williams, um professor no departamento de engenharia mecânica no Russ College of Engineering and Technology na Universidade de Ohio, um avião inclinado é uma forma de levantar uma carga que seria muito pesada para levantar diretamente., O ângulo (a inclinação do plano inclinado) determina o esforço necessário para aumentar o peso. Quanto mais íngreme a rampa, mais esforço é necessário. Isso significa que se levantarmos os nossos 100 lb. pesando 2 pés, Rolando-o para cima de uma rampa de 4 pés, reduzimos a força necessária para metade, dobrando a distância que deve ser movida. Se usássemos uma rampa de 2,4 m, poderíamos reduzir a força necessária para apenas 25 lbs. (11, 3 kg).se quisermos levantar o mesmo 100-lb. com uma corda, podemos prender uma roldana a um feixe acima do peso., Isto permitir-nos-ia puxar para baixo em vez de subir na corda, mas ainda requer 100 libras. de força. No entanto, se fôssemos usar duas polias — uma ligada para a viga, e a outra anexada ao peso e fomos para anexar uma extremidade da corda para o feixe, executá-lo através da polia do peso e, em seguida, através da polia do feixe, nós só tem que puxar a corda com 50 kg. de força para levantar o peso, embora teríamos que puxar a corda 4 pés para levantar o peso 2 pés. Mais uma vez, trocámos o aumento da distância por uma diminuição da força.,
Se quisermos usar ainda menos força sobre uma distância ainda maior, podemos usar um bloco e tackle. De acordo com materiais do curso da Universidade da Carolina do Sul, “um bloco e tackle é uma combinação de polias que reduz a quantidade de força necessária para levantar algo. O trade-off é que é necessário um comprimento mais longo de corda para um bloco e tackle mover algo a mesma distância.”
tão simples quanto as polias são, eles ainda estão encontrando uso nas novas máquinas mais avançadas., Por exemplo, o Hangprinter, uma impressora 3D que pode construir objetos do tamanho de móveis, emprega um sistema de fios e polias controladas por computador ancorado às paredes, chão e teto.
Parafuso
” um parafuso é essencialmente um plano inclinado longo enrolado em torno de um eixo, de modo que a sua vantagem mecânica pode ser abordada da mesma forma que a inclinação,” de acordo com Hiperfísica, um site produzido pela Universidade Estadual da Geórgia. Muitos dispositivos usam parafusos para exercer uma força que é muito maior do que a força usada para rodar o parafuso., Estes dispositivos incluem válvulas de banco e porcas de rodas de automóveis. Eles ganham uma vantagem mecânica não só a partir do parafuso em si, mas também, em muitos casos, a partir da alavancagem de um punho longo usado para rodar o parafuso.de acordo com o New Mexico Institute of Mining and Technology, “as cunhas estão movendo planos inclinados que são conduzidos sob cargas para levantar, ou em uma carga para dividir ou separar.,”Uma cunha mais longa e mais fina dá mais vantagem mecânica do que uma cunha mais curta e mais larga, mas uma cunha faz outra coisa: a principal função de uma cunha é mudar a direção da força de entrada. Por exemplo, se queremos dividir um tronco, podemos empurrar uma cunha para baixo no fim do tronco com grande força usando uma marreta, e a cunha vai redirecionar essa força para fora, fazendo com que a madeira se divida. Outro exemplo é um batente de porta, onde a força usada para empurrá-lo sob a borda da porta é transferida para baixo, resultando em força de fricção que resiste deslizando através do chão.,
Additional reporting by Charles Q. Choi, Live Science contributor
Additional resources
- John H. Lienhard, professor emeritus of mechanical engineering and history at the University of Houston, takes “another look at the invention of the wheel.”
- O Centro de Ciência e indústria em Columbus, Ohio, tem uma explicação interativa de máquinas simples.a Hiperfísica, um site produzido pela Universidade Estatal da Geórgia, ilustrou explicações sobre as seis máquinas simples.,encontra algumas actividades divertidas envolvendo máquinas simples no Museu de Ciência e Indústria De Chicago.
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