6 enkla maskiner: gör arbetet enklare
genom historien har människor utvecklat flera enheter för att göra arbetet enklare. De mest anmärkningsvärda av dessa är kända som ”sex enkla maskiner”: hjulet och axeln, spaken, det lutande planet, remskivan, skruven och kilen, även om de senare tre faktiskt bara är förlängningar eller kombinationer av de tre första.,
eftersom arbetet definieras som kraft som verkar på ett objekt i rörelseriktningen, gör en maskin arbetet lättare att utföra genom att utföra en eller flera av följande funktioner, enligt Jefferson Lab:
- överföra en kraft från en plats till en annan,
- ändra riktningen på en kraft,
- öka storleken på en kraft, eller
- öka avståndet eller hastigheten på en kraft.
enkla maskiner är enheter utan, eller väldigt få, rörliga delar som gör arbetet enklare., Många av dagens”s komplexa verktyg är bara kombinationer eller mer komplicerade former av de sex enkla maskiner, enligt University of Colorado på Boulder. Till exempel kan vi fästa ett långt handtag på en axel för att göra ett ankarspel, eller använda ett block och tackla för att dra en last upp en ramp. Medan dessa maskiner kan verka enkla, fortsätter de att ge oss möjlighet att göra många saker som vi aldrig kunde göra utan dem.
hjul och axel
hjulet anses vara en av de viktigaste uppfinningarna i världens historia. ”Före uppfinningen av hjulet i 3500 B. C.,, människor var allvarligt begränsade i hur mycket saker vi kunde transportera över land, och hur långt”, skrev Natalie Wolchover i Live Science artikeln ”Top 10 uppfinningar som förändrade världen.””Hjulvagnar underlättade jordbruk och handel genom att möjliggöra transport av varor till och från marknader, samt lätta på bördorna för människor som reser stora avstånd.”
hjulet minskar kraftigt den friktion som uppstår när ett objekt flyttas över en yta., ”Om du lägger din filskåp på en liten vagn med hjul, kan du kraftigt minska den kraft du behöver ansöka om att flytta skåpet med konstant hastighet,” enligt University of Tennessee.
i sin bok ”Ancient Science: Prehistoric-A. D. 500” (Gareth Stevens, 2010) skriver Charlie Samuels, ”i delar av världen flyttades tunga föremål som stenar och båtar med hjälp av loggrullar. När objektet rörde sig framåt togs rullar bakifrån och ersattes framför.”Detta var det första steget i utvecklingen av hjulet.,
den stora innovationen var dock att montera ett hjul på en axel. Hjulet kunde fästas på en axel som stöddes av ett lager, eller det kunde göras för att vända sig fritt om axeln. Detta ledde till utvecklingen av vagnar, vagnar och vagnar. Enligt Samuels använder arkeologer utvecklingen av ett hjul som roterar på en axel som en indikator på en relativt avancerad civilisation. De tidigaste bevisen för hjulen på axlarna är från ca 3200 B. C. av Sumererna. Kineserna uppfann självständigt hjulet i 2800 f. Kr.,
Kraftmultiplikatorer
förutom att minska friktionen kan ett hjul och en axel också fungera som en kraftmultiplikator, enligt Science Quest från Wiley. Om ett hjul är fastsatt på en axel och en kraft används för att vrida hjulet, är rotationskraften eller vridmomentet på axeln mycket större än den kraft som appliceras på hjulets kant. Alternativt kan ett långt handtag fästas på axeln för att uppnå en liknande effekt.
de övriga fem maskinerna hjälper alla människor att öka och / eller omdirigera kraften som appliceras på ett objekt., I sin bok ”Moving Big Things” (det handlar om tid, 2009) skriver Janet L. Kolodner och hennes medförfattare,”maskiner ger mekanisk fördel för att hjälpa till med rörliga objekt. Mekanisk fördel är avvägningen mellan kraft och avstånd.”I följande diskussion om de enkla maskinerna som ökar kraften som appliceras på deras inmatning, kommer vi att försumma friktionskraften, för i de flesta av dessa fall är friktionskraften mycket liten jämfört med ingångs-och utgångskrafterna som är involverade.
När en kraft appliceras över ett avstånd, producerar det arbete., Matematiskt uttrycks detta som W = F × D. för att till exempel lyfta ett objekt måste vi arbeta för att övervinna kraften på grund av tyngdkraften och flytta objektet uppåt. För att lyfta ett föremål som är dubbelt så tungt tar det dubbelt så mycket arbete för att lyfta det på samma avstånd. Det tar också dubbelt så mycket arbete att lyfta samma objekt dubbelt så långt. Som framgår av matematiken är den största fördelen med maskiner att de tillåter oss att göra samma mängd arbete genom att applicera en mindre mängd kraft över ett större avstånd.
spak
”Ge mig en spak och en plats att stå, och jag” ll flytta världen.”Detta skrytsamma påstående tillskrivs den grekiska filosofen, matematikern och uppfinnaren Archimedes från tredje århundradet. Även om det kan vara lite av en överdrift, uttrycker det kraften i hävstångseffekt, som åtminstone bildligt flyttar världen.,
Arkimedes geni var att inse att för att uppnå samma mängd eller arbete kan man göra en avvägning mellan kraft och avstånd med en spak. Hans lag av spaken säger, ”magnituder är i jämvikt på avstånd ömsesidigt proportionella mot deras vikter”, enligt” Archimedes i 21-talet”, en virtuell bok av Chris Rorres vid New York University.
spaken består av en lång stråle och en fulcrum, eller pivot. Den mekaniska fördelen med spaken beror på förhållandet mellan strålens längder på vardera sidan av fulcrum.,
säg till exempel att vi vill lyfta en 100-lb. (45 kg) vikt 2 fot (61 centimeter) från marken. Vi kan utöva 100 lbs. av kraft på vikten i uppåtgående riktning för ett avstånd av 2 fot, och vi har gjort 200 pund-fötter (271 Newton-meter) av arbete. Men om vi skulle använda en 30-fot (9 m) spak med ena änden under vikten och en 1-fot (30,5 cm) fulcrum placerad under strålen 10 fot (3 m) från vikten, skulle vi bara behöva trycka ner på den andra änden med 50 lbs. (23 kg) kraft för att lyfta vikten. Vi skulle dock behöva trycka i slutet av spaken ner 4 fot (1.,2 m) för att lyfta vikten 2 fot. Vi har gjort en avvägning där Vi fördubblade avståndet vi var tvungna att flytta spaken, men vi minskade den nödvändiga kraften med hälften för att göra samma mängd arbete.
lutande plan
det lutande planet är helt enkelt en plan yta upphöjd i en vinkel, som en ramp. Enligt Bob Williams, en professor i Institutionen för maskinteknik vid Russ College of Engineering and Technology vid Ohio University, är ett lutande plan ett sätt att lyfta en last som skulle vara för tung för att lyfta rakt upp., Vinkeln (brantheten hos det lutande planet) bestämmer hur mycket ansträngning som behövs för att höja vikten. Ju brantare rampen desto mer ansträngning krävs. Det betyder att om vi lyfter vår 100-lb. vikt 2 fot genom att rulla upp en 4-fots ramp, vi minskar den nödvändiga kraften med hälften medan fördubbla avståndet det måste flyttas. Om vi skulle använda en 8-fots (2,4 m) ramp, vi kunde minska den nödvändiga kraften till endast 25 lbs. (11, 3 kg).
remskiva
om vi vill lyfta samma 100-lb. vikt med ett rep kan vi fästa en remskiva på en stråle över vikten., Detta skulle låta oss dra ner i stället för upp på repet, men det kräver fortfarande 100 lbs. av kraft. Men om vi skulle använda två remskivor-en fäst vid överliggande strålen, och den andra fäst vid vikten — och vi skulle fästa ena änden av repet till strålen, kör den genom remskivan på vikten och sedan genom remskivan på strålen, skulle vi bara behöva dra på repet med 50 lbs. av kraft för att lyfta vikten, även om vi skulle behöva dra repet 4 fötter för att lyfta vikten 2 Fötter. Återigen har vi handlat ökat avstånd för minskad kraft.,
om vi vill använda ännu mindre kraft över ett ännu större avstånd kan vi använda ett block och tackla. Enligt kursmaterial från University of South Carolina, ” ett block och tackla är en kombination av remskivor som minskar mängden kraft som krävs för att lyfta något. Avvägningen är att en längre längd av rep krävs för ett block och tackla för att flytta något samma avstånd.”
så enkelt som remskivor är, hittar de fortfarande användning i de mest avancerade nya maskinerna., Till exempel använder Hangprinter, en 3D-skrivare som kan bygga möbler-stora objekt, ett system av ledningar och datorstyrda remskivor förankrade till väggar, golv och tak.
skruv
”en skruv är i huvudsak en lång lutning plan lindade runt en axel, så dess mekaniska fördel kan närma sig på samma sätt som lutningen,” enligt Hyperfysik, en webbplats som produceras av Georgia State University. Många enheter använder skruvar för att utöva en kraft som är mycket större än den kraft som används för att vrida skruven., Dessa enheter inkluderar bänkvices och lug nötter på bilhjul. De får en mekanisk fördel inte bara från själva skruven utan också i många fall från hävstången hos ett långt handtag som används för att vrida skruven.
Wedge
enligt New Mexico Institute of Mining and Technology, ”kilar flyttar lutande plan som drivs under laster för att lyfta, eller i en last för att dela eller separera.,”En längre, tunnare kil ger mer mekanisk fördel än en kortare, bredare kil, men en kil gör något annat: kilens huvudsakliga funktion är att ändra inmatningskraftens riktning. Till exempel, om vi vill dela en logg, kan vi köra en kil nedåt i slutet av stocken med stor kraft med en slädehammer, och kilen kommer att omdirigera denna kraft utåt, vilket gör att träet delas upp. Ett annat exempel är en dörrstopp, där kraften som används för att trycka den under dörrens kant överförs nedåt, vilket resulterar i friktionskraft som motstår glidning över golvet.,
ytterligare rapportering av Charles Q. Choi, Live Science contributor
ytterligare resurser
- John H. Lienhard, professor emeritus of mechanical engineering and history vid University of Houston, tar ”en annan titt på hjulets uppfinning.”
- Centrum för vetenskap och industri i Columbus, Ohio, har en interaktiv förklaring av enkla maskiner.
- Hyperfysik, en webbplats som produceras av Georgia State University, har illustrerat förklaringar av de sex enkla maskinerna.,
hitta några roliga aktiviteter som involverar enkla maskiner på Museum of Science and Industry i Chicago.