A történelem során az emberek több eszközt fejlesztettek ki, hogy megkönnyítsék a munkát. Ezek közül leginkább a "hat egyszerű gép" néven ismertek: a kerék és a tengely, a kar, a lejtős sík, a szíjtárcsa, a csavar és az ék, bár az utóbbi három valójában csak az első kiterjesztései vagy kombinációi. három.
Mivel a munkát úgy definiálják, mintha egy tárgy mozgásra irányul, és erre hat, a gép megkönnyíti a munka elvégzését, ha a Jefferson Lab szerint a következő funkciók közül egyet vagy többet hajt végre:
- erő áthelyezése egyik helyről a másikra,
- egy erő irányának megváltoztatása,
- - egy erő nagyságának növelése, vagy -
- az erő távolságának vagy sebességének növelése.
Az egyszerű gépek olyan eszközök, amelyekben nincs mozgó alkatrész, vagy nagyon kevés mozgó alkatrész, amelyek megkönnyítik a munkát. A mai Colorado University of Boulder szerint a mai bonyolult eszközök sokasága a hat egyszerű gép kombinációja vagy bonyolultabb formája. Például rögzíthetünk egy hosszú fogantyút egy tengelyhez egy szélvédő készítéséhez, vagy használhatunk egy blokkot és fogantyút a teher felhúzásához a rámpán. Noha ezek a gépek egyszerűnek tűnhetnek, továbbra is eszközöket kínálnak nekünk sok olyan dolgunk megtételéhez, amelyek nélkül soha nem lennénk képesek.
Kerék és tengely
A kereket a világ története egyik legjelentősebb találmányának tekintik. "A kerék feltalálása előtt, a 3500 B. században, az emberek súlyosan korlátozottak abban, hogy mekkora darabot tudunk szállítani szárazföldön, és milyen messzire" - írta Natalie Wolchover az Élettudomány című cikkben "A 10 legfontosabb találmány, amely megváltoztatta a világot". "A kerekes kocsik megkönnyítették a mezőgazdaságot és a kereskedelmet, lehetővé téve az áruk szállítását a piacokról és a piacokról, valamint megkönnyítve a nagy távolságra utazó emberek terheit."
A kerék nagymértékben csökkenti a súrlódást, amikor egy tárgy egy felület fölé kerül. "Ha egy irattartót egy kis kerekes kerekes kosárba helyez, akkor jelentősen csökkentheti az erőt, amelyre szüksége van ahhoz, hogy a szekrény állandó sebességgel mozogjon" - mondta a Tennessee-i Egyetem.
Charlie Samuels "Ókori tudomány: Őstörténet-AD 500" című könyvében (Gareth Stevens, 2010) azt írja: "A világ más részein nehéz tárgyakat, például sziklákat és csónakokat hasábgörgőkkel mozgattak. Ahogy az objektum előre haladt, hengerek hátulról vették és elöl cserélték. " Ez volt a kerék fejlesztésének első lépése.
A nagy újítás azonban a kerék tengelyre való felszerelése volt. A kereket egy tengelyhez lehetett erősíteni, amelyet egy csapágy támasztott alá, vagy úgy, hogy szabadon forogjon a tengely körül. Ez a kocsik, kocsik és szekerek fejlesztéséhez vezetett. Samuels szerint a régészek egy tengelyen forgó kerék kifejlesztését használják egy viszonylag fejlett civilizáció mutatójaként. A tengelyek kerekeinek legkorábbi bizonyítéka mintegy 3200 B.C. a sumérok által. A kínai 2800 B.C.-ben önállóan találta fel a kereket.
Szorzók kényszerítése
A Wiley Science Quest szerint a kerék és a tengely a súrlódás csökkentése mellett erő szorzóként is szolgálhat. Ha egy kereket egy tengelyhez erősítenek, és egy erőt használnak a kerék elforgatására, akkor a tengelyen lévő forgási erő vagy nyomaték sokkal nagyobb, mint a kerék peremére kifejtett erő. Alternatív megoldásként egy hosszú fogantyú is rögzíthető a tengelyhez hasonló hatás elérése érdekében.
A másik öt gép mind segít az embereknek egy tárgyra kifejtett erő növelésében és / vagy átirányításában. Janet L. Kolodner és társszerzői, a "Mozgó nagy dolgok" című könyvben (az idő, 2009) írják: "A gépek mechanikus előnyt nyújtanak a mozgó tárgyak elősegítéséhez. A mechanikai előny az erő és a távolság közötti kompromisszum. " A bemenetükre kifejtett erőt növelő egyszerű gépek következő megbeszélésében figyelmen kívül hagyjuk a súrlódási erőt, mivel ezeknek a legtöbb esetben a súrlódási erő nagyon kicsi az érintett bemeneti és kimeneti erőkhöz képest.
Ha egy erőt egy távolságon keresztül alkalmaznak, ez munkát eredményez. Matematikailag ezt W = F × D-ben fejezik ki. Például egy tárgy felemeléséhez munkát kell végeznünk a gravitáció miatti erő leküzdése és az objektum felfelé mozgatása érdekében. Kétszer annyira nehéz tárgy emeléséhez kétszer annyi munka szükséges ahhoz, hogy megegyezzen. Ezenkívül kétszer annyi munka szükséges, hogy ugyanazt az objektumot kétszer annyira felemeljék. Amint azt a matematika jelzi, a gépek fő előnye, hogy lehetővé teszik, hogy ugyanolyan mennyiségű munkát végezzünk el kisebb erő alkalmazásával nagyobb távolságon.
Fogantyú
"Adj nekem egy kart és egy állóhelyet, és én mozgatom a világot." Ezt a dicséretes állítást a harmadik századi görög filozófus, matematikus és feltaláló Archimedesnek tulajdonítják. Bár ez kissé túlzás lehet, kifejezi a tőkeáttétel erejét, amely legalább ábrás módon mozgatja a világot.
Az Archimedes zsengéje az volt, hogy felismerje, hogy ugyanazon összeg vagy munka elvégzéséhez kar segítségével lehet kompromisszumot kötni az erő és a távolság között. A Karról szóló törvénye kimondja: "A magnitúdók egyensúlyban vannak egymással arányos távolságra a súlyukkal", az "Archimedes a 21. században" szerint Chris Rorres virtuális könyve a New York-i Egyetemen.
A kar egy hosszú sugárból és egy lengőtestből, vagy forgókarból áll. A kar mechanikus előnye attól függ, hogy a sugár hossza milyen arányban van a támogatási pont mindkét oldalán.
Tegyük fel például, hogy fel akarjuk emelni a 100 fontot. (45 kilogramm) súlya 61 láb (2 láb) a földtől. 100 fontot tudunk kifejteni. erő hatására a súlyra felfelé 2 láb távolságra, és 200 font láb (271 Newton-méter) munkát végeztünk. Ha azonban egy 30 méteres (9 m) emelőt használnánk, amelynek egyik vége a súly alatt van, és egy lábbal (30,5 cm) lengőtesttel, amely a gerenda alá helyezkedik el a súlytól 10 méterre, akkor csak akkor lenne nyomja le a másik végét 50 lbs-rel. (23 kg) erő a súly emelésére. Ugyanakkor a kar végét le kell nyomni négy méterre (1,2 m) annak érdekében, hogy a két láb súlyát megemeljük. Olyan kompromisszumot hajtottunk végre, amelyben megdupláztuk a kar megmozgatásához szükséges távolságot, de felére csökkentettük a szükséges erőt, hogy ugyanannyi munkát végezzünk.
Ferde sík
A ferde sík egyszerűen egy sík felület, amelyet egy szögben emelt fel, mint egy rámpát. Bob Williams, az Ohio Egyetem Russ Mérnöki és Technológiai Főiskola gépészmérnöki tanszékének professzora szerint a dőlésszögű sík egy olyan teher felemelésének egyik módja, amely túl nehéz lenne ahhoz, hogy egyenesen felfelé emelje. A szög (a ferde sík meredeksége) határozza meg, hogy mekkora erőfeszítést kell tenni a súly emelésére. Minél meredekebb a rámpák, annál több erőfeszítésre van szükség. Ez azt jelenti, hogy ha felemeli a 100 fontot. A két láb súlya úgy, hogy felfelé gördít egy négy lábú rámpát, felére csökkenti a szükséges erőt, miközben megkétszerezzük a távolságot. Ha 8 lábú (2,4 m) rámpát használnánk, akkor a szükséges erőt csak 25 fontra csökkenthetjük. (11,3 kg).
Csiga
Ha fel akarjuk emelni ugyanazt a 100 fontot. egy kötéllel, akkor a szíjtárcsát a súly feletti gerendahoz rögzíthetjük. Ez lehetővé tenné, hogy lefelé húzzuk a kötélen, hanem 100 fontot igényel. erő. Ha azonban két szíjtárcsát használnánk - az egyiket a fényszóróra, a másikat pedig a súlyra -, és a kötél egyik végét a gerendahoz kellett volna rögzíteni, át kell vezetni a súlyon lévő görgőn, majd az Ha a szíjtárcsa van, akkor csak a kötelet húzzuk fel 50 lbs-rel. erő, hogy megemelje a súlyt, bár a kötél négy lábát húznunk kellene, hogy a súly két lábát megemeljük. Megint megnövelt távolságot keresünk a csökkentett erő miatt.
Ha még kevesebb erőt akarunk használni egy még nagyobb távolságon, használhatunk egy blokkot és küzdőt. A dél-karolinai egyetem tananyagai szerint "A blokk és a felszerelés a szíjtárcsák kombinációja, amely csökkenti a valami megemeléséhez szükséges erőmennyiséget. A kompromisszum az, hogy hosszabb kötél szükséges egy blokkhoz és a felszereléshez hogy ugyanazt a távolságot valami elmozdítsa. "
A szíjtárcsák olyan egyszerűek, hogy továbbra is alkalmazzák őket a legfejlettebb új gépekben. Például a Hangprinter, egy 3D-s nyomtató, amely bútorméretű tárgyakat építhet, vezetékekkel és számítógépes vezérlésű szíjtárcsákkal rendelkezik, amelyek a falakhoz, a padlóhoz és a mennyezethez vannak rögzítve.
Csavar
"A csavar lényegében egy hosszú lejtős sík, amely egy tengely körül van csomagolva, tehát mechanikai előnye ugyanúgy megközelíthető, mint a lejtő" - mondta a HyperPhysics, a Georgia State University által készített webhely. Sok eszköz csavarokkal olyan erőt fejt ki, amely sokkal nagyobb, mint a csavar elforgatásához használt erő. Ezek az eszközök tartalmaznak görgős padokat és rögzítőanyákat. Nemcsak maga a csavar, hanem sok esetben a csavar elforgatásához használt hosszú fogantyú kiegyenlítésével is mechanikai előnyt szereznek.
Ék
A New Mexico Bányászati és Technológiai Intézet szerint "az ékek ferde síkokat mozgatnak, amelyeket teher alatt hajtanak fel emelni, vagy rakományra osztnak vagy szétválnak." A hosszabb, vékonyabb ék nagyobb mechanikai előnyt biztosít, mint egy rövidebb, szélesebb ék, de az ék valami mást tesz: Az ék fő funkciója a bemeneti erő irányának megváltoztatása. Például, ha egy rönköt akarunk felosztani, akkor egy tolókalapács segítségével nagy erővel haladhatunk egy ékkel lefelé a rönk végére, és az ék ezt az erőt kifelé irányítja, ami a fa hasadását okozza. Egy másik példa a kaputelefon, ahol az ajtó széle alá történő nyomáshoz alkalmazott erő lefelé kerül, súrlódási erőt eredményezve, amely ellenáll a padlón történő csúszásnak.
Találjon néhány szórakoztató tevékenységet az egyszerű gépekkel kapcsolatban a chicagói Tudományos és Iparmúzeumban.
