6 mașini Simple: facilitarea muncii
de-a lungul istoriei, oamenii au dezvoltat mai multe dispozitive pentru a ușura munca. Cele mai notabile dintre acestea sunt cunoscute sub numele de „șase mașini simple”: roata și axul, pârghia, planul înclinat, scripetele, șurubul și pană, deși ultimele trei sunt de fapt doar extensii sau combinații ale primelor trei.,deoarece munca este definită ca forță care acționează asupra unui obiect în direcția mișcării, o mașină face munca mai ușoară prin îndeplinirea uneia sau mai multor dintre următoarele funcții, conform Jefferson Lab:
- Transferarea unei forțe dintr-un loc în altul,
- schimbarea direcției unei forțe,
- creșterea mărimii unei forțe sau
- creșterea distanței sau vitezei unei forțe.mașinile Simple sunt dispozitive fără sau foarte puține piese în mișcare care ușurează munca., Multe dintre instrumentele complexe de astăzi sunt doar combinații sau forme mai complicate ale celor șase mașini simple, potrivit Universității din Colorado din Boulder. De exemplu, am putea atașa un mâner lung la un arbore pentru a face o sticlă de vânt sau să folosim un bloc și să abordăm pentru a trage o sarcină pe o rampă. În timp ce aceste mașini pot părea simple, ele continuă să ne ofere mijloacele de a face multe lucruri pe care nu le-am putea face niciodată fără ele.
roată și osie
roata este considerată a fi una dintre cele mai importante invenții din istoria lumii. „Înainte de inventarea roții în 3500 î. HR.,, oamenii au fost sever limitați în cât de multe lucruri am putea transporta peste pământ și cât de departe”, a scris Natalie Wolchover în articolul Live Science „Top 10 invenții care au schimbat lumea.””Căruțele cu roți au facilitat agricultura și comerțul, permițând transportul de mărfuri către și de pe piețe, precum și ușurarea sarcinilor persoanelor care călătoresc pe distanțe mari.roata reduce foarte mult frecarea întâlnită atunci când un obiect este deplasat pe o suprafață., „Dacă puneți dulapul de fișiere pe un cărucior mic cu roți, puteți reduce foarte mult forța pe care trebuie să o aplicați pentru a muta dulapul cu viteză constantă”, potrivit Universității din Tennessee.în cartea sa „știința antică: Preistoria-AD 500” (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels scrie: „în anumite părți ale lumii, obiecte grele, cum ar fi roci și bărci, au fost mutate folosind role de jurnal. Pe măsură ce obiectul se deplasa înainte, rolele au fost luate din spate și înlocuite în față.”Acesta a fost primul pas în dezvoltarea roții.,marea inovație, totuși, a fost în montarea unei roți pe o axă. Roata ar putea fi atașată la o axă care a fost susținută de un rulment sau ar putea fi făcută să se rotească liber în jurul osiei. Acest lucru a dus la dezvoltarea căruțelor, vagoanelor și carelor. Potrivit lui Samuels, arheologii folosesc dezvoltarea unei roți care se rotește pe o axă ca indicator al unei civilizații relativ avansate. Cea mai veche dovadă a roților pe osii este de la aproximativ 3200 î.HR. de către sumerieni. Chinezii au inventat independent roata în 2800 î. HR., pe lângă reducerea frecării, o roată și o axă pot servi și ca multiplicator de forță, potrivit Science Quest de la Wiley. Dacă o roată este atașată la o axă și o forță este utilizată pentru a roti roata, forța de rotație sau cuplul pe ax este mult mai mare decât forța aplicată pe marginea roții. Alternativ, un mâner lung poate fi atașat la osie pentru a obține un efect similar.celelalte cinci mașini ajută oamenii să crească și / sau să redirecționeze forța aplicată unui obiect., În cartea lor „Moving Big Things” (It”s about time, 2009), Janet L. Kolodner și coautorii ei scriu: „mașinile oferă un avantaj mecanic pentru a ajuta la mișcarea obiectelor. Avantajul mecanic este compromisul dintre forță și distanță.”În următoarea discuție despre mașinile simple care măresc forța aplicată intrării lor, vom neglija forța de frecare, deoarece în majoritatea acestor cazuri, forța de frecare este foarte mică în comparație cu forțele de intrare și ieșire implicate.când o forță este aplicată pe o distanță, ea produce muncă., Matematic, aceasta este exprimată ca W = F × D. De exemplu, pentru a ridica un obiect, trebuie să lucrăm pentru a depăși forța datorată gravitației și pentru a muta obiectul în sus. Pentru a ridica un obiect care este de două ori mai greu, este nevoie de două ori mai multă muncă pentru a-l ridica la aceeași distanță. De asemenea, este nevoie de două ori mai multă muncă pentru a ridica același obiect de două ori mai mult. După cum indică matematica, principalul beneficiu al mașinilor este că ne permit să facem aceeași cantitate de muncă aplicând o cantitate mai mică de forță pe o distanță mai mare.
un balansoar este un exemplu de pârghie., Este un fascicul lung echilibrat pe un pivot. (Image credit: BestPhotoStudio ) Maneta
„Dă-mi o pârghie și un loc unde să stea, și I”ll muta lume.”Această afirmație lăudabilă este atribuită filosofului, matematicianului și inventatorului Grec Arhimede din secolul al III-lea. În timp ce poate fi un pic de o exagerare, ea exprimă puterea de pârghie, care, cel puțin la figurat, se mișcă lumea.,geniul lui Arhimede a fost acela de a realiza că, pentru a realiza aceeași cantitate sau lucrare, se poate face un compromis între forță și distanță folosind o pârghie. Legea lui de Maneta membre, „Magnitudini sunt în echilibru la distanțe reciproc proporțională cu greutatea lor,” potrivit „Arhimede în Secolul 21,” o carte virtuală, de Chris Rorres la Universitatea din New York.pârghia constă dintr-un fascicul lung și un punct de sprijin sau pivot. Avantajul mecanic al pârghiei depinde de raportul dintre lungimile fasciculului de pe ambele părți ale punctului de sprijin.,
de exemplu, să zicem că vrem să ridicăm un 100-lb. (45 kg) greutate 2 picioare (61 cm) de la sol. Putem exercita 100 lbs. de forță asupra greutății în direcția ascendentă pentru o distanță de 2 picioare , și am făcut 200 Lira-picioare (271 Newton-metri) de muncă. Cu toate acestea, dacă ar fi să folosim o pârghie de 30 de picioare (9 m) cu un capăt sub greutate și un punct de sprijin de 1 picior (30,5 cm) plasat sub grinda 10 picioare (3 m) din greutate, ar trebui doar să împingem în jos pe celălalt capăt cu 50 lbs. (23 kg) de forță pentru a ridica greutatea. Cu toate acestea, ar trebui să împingem capătul pârghiei în jos cu 4 picioare (1.,2 m) pentru a ridica greutatea 2 picioare. Am făcut un compromis în care am dublat distanța pe care am avut-o pentru a muta pârghia, dar am scăzut forța necesară la jumătate pentru a face aceeași cantitate de muncă.
plan înclinat
planul înclinat este pur și simplu o suprafață plană ridicată într-un unghi, ca o rampă. Potrivit lui Bob Williams, profesor la Departamentul de inginerie mecanică de la Colegiul Russ de inginerie și Tehnologie de la Universitatea Ohio, un plan înclinat este o modalitate de a ridica o sarcină care ar fi prea grea pentru a ridica drept în sus., Unghiul (abruptul planului înclinat) determină cât de mult efort este necesar pentru a ridica greutatea. Cu cât rampa este mai abruptă, cu atât este nevoie de mai mult efort. Asta înseamnă că, dacă vom ridica noastre de 100 de livre. greutate 2 picioare rulând – o pe o rampă de 4 picioare, reducem forța necesară la jumătate în timp ce dublăm distanța pe care trebuie să o deplasăm. Dacă ar fi să folosim o rampă de 8 picioare (2.4 m), am putea reduce forța necesară la numai 25 lbs. (11,3 kg).
scripete
dacă vrem să ridice aceeași 100-lb. greutate cu o frânghie, am putea atașa un scripete la un fascicul deasupra greutății., Acest lucru ne-ar permite să tragem în jos în loc de sus pe frânghie, dar necesită încă 100 lbs. de forță. Cu toate acestea, dacă ar fi să folosim două scripete — una atașată la grinda aeriană, iar cealaltă atașată la greutate — și ar fi să atașăm un capăt al frânghiei la grindă, să o rulăm prin scripete pe greutate și apoi prin scripetele de pe grindă, ar trebui să tragem doar frânghia cu 50 lbs. de forță pentru a ridica greutatea, deși ar trebui să tragem frânghia 4 picioare pentru a ridica greutatea 2 picioare. Din nou, am tranzacționat distanța crescută pentru forța scăzută.,dacă vrem să folosim și mai puțină forță pe o distanță și mai mare, putem folosi un bloc și o abordare. Potrivit materialelor de curs de la Universitatea din Carolina de Sud, „un bloc și o abordare este o combinație de scripete care reduce cantitatea de forță necesară pentru a ridica ceva. Compromisul este că o lungime mai lungă de frânghie este necesară pentru un bloc și pentru a aborda pentru a muta ceva la aceeași distanță.la fel de simple ca scripetele, ele găsesc în continuare utilizarea în cele mai avansate mașini noi., De exemplu, Hangprinter, o imprimantă 3D care poate construi obiecte de dimensiuni de mobilier, folosește un sistem de fire și scripete controlate de computer ancorate pe pereți, podea și tavan.”un șurub este în esență un plan înclinat lung înfășurat în jurul unui arbore, astfel încât avantajul său mecanic poate fi abordat în același mod ca și înclinația”, potrivit HyperPhysics, un site web produs de Universitatea de Stat din Georgia. Multe dispozitive folosesc șuruburi pentru a exercita o forță mult mai mare decât forța folosită pentru a roti șurubul., Aceste dispozitive includ vicii de bancă și piulițe pe roțile automobilelor. Ele obțin un avantaj mecanic nu numai din șurubul în sine, ci și, în multe cazuri, din pârghia unui mâner lung folosit pentru a roti șurubul.
pană
potrivit Institutului de minerit și Tehnologie din New Mexico, ” penele se deplasează în planuri înclinate care sunt conduse sub sarcini pentru a se ridica sau într-o sarcină pentru a se împărți sau separa.,”O pană mai lungă și mai subțire oferă un avantaj mecanic mai mare decât o pană mai scurtă și mai largă, dar o pană face altceva: funcția principală a unei pene este de a schimba direcția forței de intrare. De exemplu, dacă vrem să împărțim un jurnal, putem conduce o pană în jos în capătul jurnalului cu o forță mare folosind un baros, iar pană va redirecționa această forță spre exterior, determinând lemnul să se despartă. Un alt exemplu este un opritor de ușă, unde forța folosită pentru a o împinge sub marginea ușii este transferată în jos, rezultând o forță de frecare care rezistă alunecării pe podea.,raportarea suplimentară de Charles Q. Choi, colaborator al științei vii
resurse suplimentare
- John H. Lienhard, profesor emerit de inginerie mecanică și istorie la Universitatea din Houston, ia „o altă privire la invenția roții.”
- Centrul de știință și Industrie din Columbus, Ohio, are o explicație interactivă a mașinilor simple.
- HyperPhysics, un site web produs de Universitatea de Stat din Georgia, a ilustrat explicațiile celor șase mașini simple.,găsiți câteva activități distractive care implică mașini simple la Muzeul de știință și Industrie din Chicago.
știri recente
{{ articleName}}