De-a lungul istoriei, oamenii au dezvoltat mai multe dispozitive pentru a face munca mai ușoară. Cele mai notabile dintre acestea sunt cunoscute sub numele de „cele șase mașini simple”: roata și axa, pârghia, planul înclinat, scripetele, șurubul și pană, deși ultimele trei sunt, de fapt, doar extensii sau combinații ale primelor trei.
Pentru că munca este definită ca o forță care acționează asupra unui obiect în direcția mișcării, o mașină facilitează munca prin îndeplinirea uneia sau mai multora dintre următoarele funcții, potrivit 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 părți mobile sau cu foarte puține părți mobile care ușurează munca. Multe dintre uneltele complexe de astăzi sunt doar combinații sau forme mai complicate ale celor șase mașini simple, potrivit Universității din Colorado la Boulder. De exemplu, putem atașa un mâner lung la un arbore pentru a face un troliu, sau putem folosi un bloc și un dispozitiv pentru a trage o încărcătură 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.
Roata și axul
Roata este considerată a fi una dintre cele mai importante invenții din istoria lumii. „Înainte de inventarea roții, în anul 3500 î.Hr., oamenii erau foarte limitați în ceea ce privește cantitatea de lucruri pe care le puteau transporta pe uscat 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 bunuri către și dinspre piețe, precum și ușurarea poverii oamenilor care călătoreau pe distanțe mari.”
Roata reduce foarte mult frecarea întâlnită atunci când un obiect este deplasat pe o suprafață. „Dacă vă puneți dulapul de dosare pe un mic cărucior 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 „Ancient Science: Prehistory-A.D. 500” (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels scrie: „În unele părți ale lumii, obiectele grele, cum ar fi rocile și bărcile, erau deplasate cu ajutorul unor role de bușteni. Pe măsură ce obiectul înainta, rolele erau luate din spate și înlocuite în față”. Acesta a fost primul pas în dezvoltarea roții.
Mare inovație, însă, a fost montarea unei roți pe o axă. Roata putea fi fixată pe o osie care era susținută de un rulment, sau putea fi făcută să se rotească liber în jurul osiei. Acest lucru a dus la dezvoltarea căruțelor, căruțelor și carelor. Potrivit lui Samuels, arheologii folosesc dezvoltarea unei roți care se rotește pe o axă ca indicator al unei civilizații relativ avansate. Cele mai vechi dovezi ale roților pe axă datează din jurul anului 3200 î.Hr. de către sumerieni. Chinezii au inventat independent roata în 2800 î.Hr.
Multiplicatori de forță
Pe lângă reducerea frecării, o roată și o osie pot servi și ca multiplicatori de forță, potrivit Science Quest de la Wiley. Dacă o roată este atașată la o osie și se folosește o forță pentru a roti roata, forța de rotație, sau cuplul, pe osie este mult mai mare decât forța aplicată pe janta roții. Alternativ, un mâner lung poate fi atașat la axă pentru a obține un efect similar.
Celelalte cinci mașini ajută oamenii să mărească și/sau să redirecționeze forța aplicată unui obiect. În cartea lor „Moving Big Things” (It’s about time, 2009), Janet L. Kolodner și coautorii săi scriu: „Mașinile oferă un avantaj mecanic pentru a ajuta la deplasarea obiectelor. Avantajul mecanic este compromisul dintre forță și distanță”. În următoarea discuție despre mașinile simple care măresc forța aplicată la intrarea 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 lucru. Din punct de vedere matematic, aceasta se exprimă prin W = F × D. De exemplu, pentru a ridica un obiect, trebuie să depunem muncă pentru a învinge forța datorată gravitației și a deplasa obiectul în sus. Pentru a ridica un obiect care este de două ori mai greu, este nevoie de de două ori mai multă muncă pentru a-l ridica pe aceeași distanță. De asemenea, este nevoie de o muncă de două ori mai mare pentru a ridica același obiect de două ori mai departe. După cum indică matematica, principalul beneficiu al mașinilor este că ele ne permit să facem aceeași cantitate de muncă prin aplicarea unei cantități mai mici de forță pe o distanță mai mare.
Pârghie
„Dați-mi o pârghie și un loc unde să stau, și voi mișca lumea.” Această afirmație lăudăroasă este atribuită filozofului, matematicianului și inventatorului grec din secolul al III-lea, Arhimede. Deși poate fi un pic exagerată, ea exprimă puterea efectului de pârghie, care, cel puțin la figurat, mișcă lumea.
Geniul lui Arhimede a fost acela de a realiza că, pentru a realiza aceeași cantitate sau muncă, se poate face un compromis între forță și distanță folosind o pârghie. Legea sa a pârghiei afirmă: „Mărimile se află în echilibru la distanțe reciproc proporționale cu greutățile lor”, potrivit „Archimedes in the 21st Century”, o carte virtuală scrisă de Chris Rorres de la Universitatea din New York.
Leva este formată dintr-o grindă lungă și un punct de sprijin, sau pivot. Avantajul mecanic al pârghiei depinde de raportul dintre lungimile grinzii de o parte și de alta a punctului de sprijin.
De exemplu, să spunem că dorim să ridicăm o greutate de 45 de kilograme (100 de livre) la 61 de centimetri (2 picioare) de la sol. Putem exercita o forță de 100 de livre (45 kg) asupra greutății în direcția ascendentă pe o distanță de 2 picioare , și am efectuat 200 de livre-picioare (271 Newton-metri) de lucru. Cu toate acestea, dacă am folosi 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 grindă la 10 picioare (3 m) de greutate, ar trebui să împingem în jos pe celălalt capăt doar cu 50 lbs. (23 kg) de forță pentru a ridica greutatea. Cu toate acestea, ar trebui să împingem capătul pârghiei în jos 1,2 m (4 picioare) pentru a ridica greutatea cu 2 picioare. Am făcut un compromis prin care am dublat distanța pe care trebuia să mișcăm 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 la un unghi, ca o rampă. Potrivit lui Bob Williams, profesor în cadrul departamentului de inginerie mecanică de la Colegiul Russ de Inginerie și Tehnologie de la Universitatea din Ohio, un plan înclinat este o modalitate de a ridica o sarcină care ar fi prea grea pentru a fi ridicată direct 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 mai mult efort este necesar. Aceasta înseamnă că, dacă ridicăm greutatea noastră de 100 de kilograme cu 2 picioare, rostogolind-o pe o rampă de 4 picioare, reducem forța necesară la jumătate, dublând în același timp distanța pe care trebuie să o deplasăm. Dacă am folosi o rampă de 8 picioare (2,4 m), am putea reduce forța necesară la doar 25 lbs. (11,3 kg).
Polieleu
Dacă vrem să ridicăm aceeași greutate de 100 de livre cu o frânghie, am putea atașa un scripete la o grindă deasupra greutății. Acest lucru ne-ar permite să tragem în jos în loc să tragem de frânghie în sus, dar tot este nevoie de o forță de 100 lb. Cu toate acestea, dacă am folosi două scripeți – unul atașat la grinda de deasupra, iar celălalt atașat la greutate – și am atașa un capăt al frânghiei la grindă, l-am trece prin scripetele de pe greutate și apoi prin scripetele de pe grindă, ar trebui să tragem de frânghie cu o forță de numai 50 de livre pentru a ridica greutatea, deși ar trebui să tragem de frânghie 4 picioare pentru a ridica greutatea cu 2 picioare. Din nou, am schimbat o distanță mai mare cu o forță mai mică.
Dacă vrem să folosim o forță și mai mică pe o distanță și mai mare, putem folosi un bloc și un scripete. Conform materialelor de curs de la Universitatea din Carolina de Sud, „Un bloc și un scripete este o combinație de scripeți care reduce cantitatea de forță necesară pentru a ridica ceva. Compromisul este că este nevoie de o lungime mai mare de frânghie pentru ca un block and tackle să deplaseze ceva pe aceeași distanță.”
La cât de simple sunt scripetele, ele își găsesc în continuare utilizarea în cele mai avansate mașini noi. De exemplu, Hangprinter, o imprimantă 3D care poate construi obiecte de mărimea mobilei, folosește un sistem de cabluri și scripeți controlați de calculator, ancorați pe pereți, podea și tavan.
Șurub
„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 înclinarea”, potrivit HyperPhysics, un site web realizat de Georgia State University. Multe dispozitive folosesc șuruburi pentru a exercita o forță care este mult mai mare decât forța folosită pentru a roti șurubul. Printre aceste dispozitive se numără menghinele de banc și piulițele de pe roțile automobilelor. Ele obțin un avantaj mecanic nu numai de la șurubul în sine, ci și, în multe cazuri, de la efectul de pârghie al unui mâner lung folosit pentru a roti șurubul.
Wedge
Potrivit Institutului de Minerit și Tehnologie din New Mexico, „Wedge-urile sunt planuri înclinate în mișcare care sunt acționate sub încărcături pentru a le ridica, sau într-o încărcătură pentru a o despărți sau separa.” O pană mai lungă și mai subțire oferă un avantaj mecanic mai mare decât o pană mai scurtă și mai lată, dar o pană mai face și altceva: Funcția principală a unei pene este de a schimba direcția forței de intrare. De exemplu, dacă dorim să despicăm un buștean, putem înfige o pană în jos în capătul bușteanului cu o forță mare, folosind un baros, iar pană va redirecționa această forță spre exterior, ceea ce va face ca lemnul să se despice. Un alt exemplu este un opritor de ușă, unde forța folosită pentru a-l împinge sub marginea ușii este transferată în jos, rezultând o forță de frecare care rezistă alunecării pe podea.
Raport suplimentar de Charles Q. Choi, colaborator Live Science
Resurse suplimentare
- John H. Lienhard, profesor emerit de inginerie mecanică și istorie la Universitatea din Houston, aruncă „o altă privire asupra invenției 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, are explicații ilustrate ale celor șase mașini simple.
Găsește câteva activități distractive care implică mașini simple la Muzeul de Știință și Industrie din Chicago.