V průběhu historie lidé vyvinuli několik zařízení, která jim usnadňovala práci. Nejvýznamnější z nich jsou známé jako „šest jednoduchých strojů“: kolo a náprava, páka, nakloněná rovina, kladka, šroub a klín, i když poslední tři jsou vlastně jen rozšířením nebo kombinací prvních tří.
Protože práce je definována jako síla působící na předmět ve směru pohybu, stroj podle Jeffersonovy laboratoře usnadňuje vykonávání práce tím, že plní jednu nebo více z následujících funkcí:
- přenos síly z jednoho místa na druhé,
- změna směru síly,
- zvětšení velikosti síly nebo
- zvětšení vzdálenosti nebo rychlosti síly.
Jednoduché stroje jsou zařízení bez pohyblivých částí nebo s velmi malým počtem pohyblivých částí, která usnadňují práci. Podle Coloradské univerzity v Boulderu je mnoho dnešních složitých nástrojů jen kombinací nebo složitější formou šesti jednoduchých strojů. Můžeme například připevnit dlouhou násadu k hřídeli a vytvořit tak naviják nebo použít špalík a kladku k vytažení nákladu na rampu. I když se tyto stroje mohou zdát jednoduché, stále nám poskytují prostředky k mnoha činnostem, které bychom bez nich nikdy nedokázali.
Kolo a náprava
Kolo je považováno za jeden z nejvýznamnějších vynálezů v dějinách světa. „Před vynálezem kola v roce 3500 př. n. l. byli lidé značně omezeni v tom, kolik věcí jsme mohli přepravovat po zemi a jak daleko,“ napsala Natalie Wolchoverová v článku „10 nejlepších vynálezů, které změnily svět“ v časopise Live Science. „Kolové vozy usnadnily zemědělství a obchod tím, že umožnily přepravu zboží na trhy a z trhů a také ulehčily lidem cestujícím na velké vzdálenosti.“
Kolo výrazně snižuje tření, které vzniká při pohybu předmětu po povrchu. „Pokud umístíte skříňku na dokumenty na malý vozík s kolečky, můžete výrazně snížit sílu, kterou musíte vynaložit, abyste skříňku přemístili konstantní rychlostí.“
Ve své knize „Ancient Science: V knize Prehistory-A.D. 500“ (Gareth Stevens, 2010) Charlie Samuels píše: „V některých částech světa se těžké předměty, jako jsou kameny a lodě, přemisťovaly pomocí kládových válců. Jak se předmět pohyboval vpřed, válečky se braly zezadu a nahrazovaly se vpředu.“ To byl první krok ve vývoji kola.
Velkou inovací však bylo upevnění kola na nápravu. Kolo mohlo být připevněno k nápravě, která byla podepřena ložiskem, nebo se mohlo volně otáčet kolem osy. To vedlo k vývoji vozů, vozíků a vozů. Podle Samuelse používají archeologové vývoj kola, které se otáčí na ose, jako ukazatel relativně vyspělé civilizace. Nejstarší doklady o kolech na nápravě pocházejí od Sumerů z doby kolem roku 3200 př. n. l.. Číňané nezávisle na nich vynalezli kolo v roce 2800 př. n. l.
Násobiče síly
Kromě snížení tření může kolo a náprava sloužit také jako násobič síly, uvádí Science Quest od společnosti Wiley. Pokud je kolo připevněno k nápravě a k otáčení kola je použita síla, je rotační síla neboli točivý moment na nápravě mnohem větší než síla působící na ráfek kola. Alternativně lze k ose připojit dlouhou rukojeť, čímž se dosáhne podobného efektu.
Všech pět dalších strojů pomáhá člověku zvětšit a/nebo přesměrovat sílu působící na předmět. Janet L. Kolodnerová a její spoluautoři ve své knize „Moving Big Things“ (It’s about time, 2009) píší: „Stroje poskytují mechanickou výhodu, která pomáhá při pohybu předmětů. Mechanická výhoda je kompromisem mezi silou a vzdáleností.“ V následující diskusi o jednoduchých strojích, které zvětšují sílu působící na jejich vstup, budeme zanedbávat sílu tření, protože ve většině těchto případů je třecí síla velmi malá ve srovnání s příslušnými vstupními a výstupními silami.
Působí-li síla na určitou vzdálenost, vytváří práci. Matematicky se vyjadřuje jako W = F × D. Chceme-li například zvednout nějaký předmět, musíme vykonat práci, abychom překonali gravitační sílu a přemístili předmět vzhůru. Chceme-li zvednout dvakrát těžší předmět, musíme vykonat dvakrát větší práci, abychom jej zvedli na stejnou vzdálenost. Ke zvednutí stejného předmětu na dvakrát větší vzdálenost je také zapotřebí dvakrát více práce. Jak vyplývá z matematiky, hlavní výhodou strojů je, že nám umožňují vykonat stejné množství práce působením menší síly na větší vzdálenost.
Páka
„Dejte mi páku a místo, kde budu stát, a já pohnu světem.“ (Obrázek: BestPhotoStudio) Toto chlubivé tvrzení je připisováno řeckému filozofovi, matematikovi a vynálezci Archimédovi ze třetího století. I když je to možná trochu přehnané, vyjadřuje to sílu páky, která, alespoň obrazně, hýbe světem.
Archimédova genialita spočívala v tom, že si uvědomil, že k vykonání stejného množství nebo práce lze pomocí páky provést kompromis mezi silou a vzdáleností. Jeho zákon páky říká: „Veličiny jsou v rovnováze ve vzdálenostech vzájemně úměrných jejich hmotnosti,“ uvádí virtuální kniha „Archimedes v 21. století“, kterou napsal Chris Rorres z New York University.
Páka se skládá z dlouhého nosníku a opěrného bodu neboli čepu. Mechanická výhoda páky závisí na poměru délek nosníku na obou stranách opěrného bodu.
Řekněme například, že chceme zvednout závaží o hmotnosti 45 kilogramů (100 liber) do výšky 2 stop (61 centimetrů) nad zem. Můžeme na závaží vyvinout sílu 100 liber ve směru vzhůru na vzdálenost 2 stop , a vykonali jsme práci 200 liber stop (271 newtonmetrů). Pokud bychom však použili páku o délce 30 stop (9 m) s jedním koncem pod závažím a opěrným bodem o délce 1 stopy (30,5 cm) umístěným pod nosníkem ve vzdálenosti 10 stop (3 m) od závaží, museli bychom na druhý konec tlačit dolů pouze silou 50 liber. (23 kg), abychom závaží zvedli. Abychom však závaží zvedli o 2 stopy, museli bychom konec páky zatlačit dolů o 4 stopy (1,2 m). Udělali jsme kompromis, při kterém jsme zdvojnásobili vzdálenost, na kterou jsme museli páku posunout, ale snížili jsme potřebnou sílu na polovinu, abychom vykonali stejnou práci.“
Nakloněná rovina
Nakloněná rovina je jednoduše rovná plocha zvednutá pod úhlem, podobně jako rampa. Podle Boba Williamse, profesora na katedře strojního inženýrství na Russ College of Engineering and Technology na Ohio University, je nakloněná rovina způsob, jak zvednout břemeno, které by bylo příliš těžké na to, aby se zvedlo přímo nahoru. Úhel (strmost nakloněné roviny) určuje, jak velké úsilí je třeba vynaložit na zvednutí závaží. Čím je rampa strmější, tím větší úsilí je třeba vynaložit. To znamená, že pokud zvedneme naše stokilové závaží o dva metry tím, že ho vyklopíme na čtyřmetrovou rampu, snížíme potřebnou sílu na polovinu a zároveň zdvojnásobíme vzdálenost, na kterou je třeba závaží přemístit. Pokud bychom použili rampu o délce 8 stop (2,4 m), mohli bychom potřebnou sílu snížit na pouhých 25 liber. (11,3 kg).
Kladka
Pokud bychom chtěli stejné závaží o hmotnosti 100 liber zvednout pomocí lana, mohli bychom k nosníku nad závažím připevnit kladku. To by nám umožnilo táhnout lano dolů místo nahoru, ale stále by to vyžadovalo sílu 100 liber. Pokud bychom však použili dvě kladky – jednu připevněnou k trámu nad hlavou a druhou k závaží – a jeden konec lana bychom připevnili k trámu, protáhli kladkou na závaží a pak kladkou na trámu, museli bychom táhnout za lano pouze silou 50 liber, abychom závaží zvedli, ačkoli bychom museli táhnout za lano 4 stopy, abychom závaží zvedli o 2 stopy. Opět jsme vyměnili zvětšení vzdálenosti za zmenšení síly.
Pokud chceme použít ještě menší sílu na ještě větší vzdálenost, můžeme použít blok a kladku. Podle materiálů ke kurzu z Univerzity v Jižní Karolíně: „Blok a kladka je kombinace kladek, která snižuje množství síly potřebné ke zvednutí něčeho. Kompromisem je to, že k tomu, aby blok a kladka něco přemístily na stejnou vzdálenost, je zapotřebí delšího lana.“
Jakkoli jsou kladky jednoduché, stále nacházejí uplatnění v nejmodernějších nových strojích. Například Hangprinter, 3D tiskárna, která dokáže vytvářet předměty velikosti nábytku, využívá systém lan a počítačem řízených kladek ukotvených ke stěnám, podlaze a stropu.
Šroub
„Šroub je v podstatě dlouhá šikmá rovina obtočená kolem hřídele, takže k jeho mechanické výhodě lze přistupovat stejně jako ke šikmé ploše,“ uvádí HyperPhysics, webová stránka produkovaná Georgijskou státní univerzitou. Mnoho zařízení využívá šrouby k působení síly, která je mnohem větší než síla použitá k otáčení šroubu. Mezi tato zařízení patří svěráky na lavici a matice na kolech automobilů. Mechanickou výhodu získávají nejen díky samotnému šroubu, ale v mnoha případech také díky páce dlouhé rukojeti, která se používá k otáčení šroubu.“
Klín
Podle webu New Mexico Institute of Mining and Technology jsou „klíny pohyblivé nakloněné roviny, které se vrážejí pod břemena za účelem jejich zvedání nebo do břemen za účelem jejich rozdělení nebo oddělení“. Delší a tenčí klín poskytuje větší mechanickou výhodu než kratší a širší klín, ale klín dělá ještě něco jiného: Hlavní funkcí klínu je měnit směr vstupní síly. Chceme-li například rozštípnout poleno, můžeme velkou silou vrazit klín do konce polena směrem dolů pomocí bouracího kladiva a klín tuto sílu přesměruje směrem ven, což způsobí rozštípnutí dřeva. Dalším příkladem je zarážka dveří, u níž se síla použitá k jejímu zatlačení pod hranu dveří přenese směrem dolů, čímž vznikne třecí síla, která brání sklouznutí po podlaze.
Doplňující zpravodajství Charles Q. Choi, spolupracovník Live Science
Doplňující zdroje
- John H. Lienhard, emeritní profesor strojního inženýrství a historie na Houstonské univerzitě, se „znovu podívá na vynález kola.“
- V Centru vědy a průmyslu v Columbusu v Ohiu najdete interaktivní výklad jednoduchých strojů.
- HyperFyzika, webová stránka vytvořená Georgijskou státní univerzitou, obsahuje názorné vysvětlení šesti jednoduchých strojů.
Na webových stránkách Muzea vědy a průmyslu v Chicagu najdete několik zábavných aktivit zahrnujících jednoduché stroje.
.