Igennem historien har mennesket udviklet adskillige anordninger for at gøre arbejdet lettere. De mest bemærkelsesværdige af disse er kendt som de “seks simple maskiner”: hjulet og akslen, håndtaget, det skrå plan, remskiven, skruen og kilen, selv om de tre sidstnævnte i virkeligheden blot er udvidelser eller kombinationer af de tre første.
Da arbejde defineres som en kraft, der virker på en genstand i bevægelsesretningen, gør en maskine arbejdet lettere at udføre ved at udføre en eller flere af følgende funktioner, ifølge Jefferson Lab:
- overførsel af en kraft fra et sted til et andet,
- ændring af en krafts retning,
- forøgelse af størrelsen af en kraft eller
- forøgelse af en krafts afstand eller hastighed.
Enkle maskiner er anordninger uden eller med meget få bevægelige dele, som gør arbejdet lettere. Mange af nutidens komplekse værktøjer er blot kombinationer eller mere komplicerede former af de seks simple maskiner, ifølge University of Colorado at Boulder. Vi kan f.eks. fæstne et langt håndtag til en aksel for at lave en ankerspil eller bruge en blok og anker til at trække en last op ad en rampe. Selv om disse maskiner kan virke simple, giver de os fortsat midler til at gøre mange ting, som vi aldrig kunne gøre uden dem.
Hjul og aksel
Hjulet anses for at være en af de mest betydningsfulde opfindelser i verdenshistorien. “Før opfindelsen af hjulet i 3500 f.Kr. var mennesket stærkt begrænset i forhold til, hvor mange ting vi kunne transportere over land, og hvor langt”, skrev Natalie Wolchover i Live Science-artiklen “Top 10 Inventions that Changed the World”. “Hjulvogne lettede landbruget og handelen ved at gøre det muligt at transportere varer til og fra markeder og lette byrderne for mennesker, der rejste over store afstande.”
Hjulet reducerer i høj grad den friktion, der opstår, når en genstand bevæges over en overflade. “Hvis du sætter dit arkivskab på en lille vogn med hjul, kan du i høj grad reducere den kraft, du skal anvende for at flytte skabet med konstant hastighed,” ifølge University of Tennessee.
I sin bog “Ancient Science: Prægistorie-A.D. 500” (Gareth Stevens, 2010) skriver Charlie Samuels: “I dele af verden blev tunge genstande som f.eks. sten og både flyttet ved hjælp af tømmerruller. Efterhånden som objektet bevægede sig fremad, blev rullerne taget bagfra og sat på plads foran.” Dette var det første skridt i udviklingen af hjulet.
Den store nyskabelse bestod dog i at montere et hjul på en aksel. Hjulet kunne fastgøres til en aksel, der var understøttet af et leje, eller det kunne drejes frit omkring akslen. Dette førte til udviklingen af vogne, vogne og stridsvogne. Ifølge Samuels bruger arkæologer udviklingen af et hjul, der roterer på en aksel, som en indikator for en relativt avanceret civilisation. De tidligste beviser for hjul på aksler er fra omkring 3200 f.Kr. fra sumererne. Kineserne opfandt uafhængigt af hinanden hjulet i 2800 f.Kr.
Kraftmultiplikatorer
Ud over at reducere friktionen kan et hjul og en aksel også fungere som en kraftmultiplikator, ifølge Science Quest fra Wiley. Hvis et hjul er fastgjort til en aksel, og der anvendes en kraft til at dreje hjulet, er rotationskraften, eller drejningsmomentet, på akslen meget større end den kraft, der påføres hjulets fælg. Alternativt kan et langt håndtag fastgøres til akslen for at opnå en lignende effekt.
De andre fem maskiner hjælper alle mennesker med at øge og/eller omdirigere den kraft, der påføres en genstand. I deres bog “Moving Big Things” (It’s about time, 2009) skriver Janet L. Kolodner og hendes medforfattere: “Maskiner giver mekanisk fordel for at hjælpe med at flytte objekter. Mekanisk fordel er en afvejning mellem kraft og afstand.” I den følgende diskussion af de simple maskiner, der øger den kraft, der påføres deres input, vil vi negligere friktionskraften, fordi friktionskraften i de fleste af disse tilfælde er meget lille i forhold til de involverede input- og outputkræfter.
Når en kraft påføres over en afstand, producerer den arbejde. Matematisk udtrykkes dette som W = F × D. For at løfte en genstand skal vi f.eks. udføre arbejde for at overvinde tyngdekraften og flytte genstanden opad. For at løfte en genstand, der er dobbelt så tung, kræver det dobbelt så meget arbejde at løfte den samme afstand. Det kræver også dobbelt så meget arbejde at løfte den samme genstand dobbelt så langt. Som det fremgår af matematikken, er den største fordel ved maskiner, at de giver os mulighed for at udføre den samme mængde arbejde ved at anvende en mindre mængde kraft over en større afstand.
Løftestang
“Giv mig en løftestang og et sted at stå, og jeg vil flytte verden.” Denne pralende påstand tilskrives den græske filosof, matematiker og opfinder Archimedes fra det tredje århundrede. Selv om det måske er en smule overdrevet, er det et udtryk for den kraft, der ligger i løftestangseffekten, som i det mindste billedligt talt flytter verden.
Arkimedes’ genialitet bestod i at indse, at man for at opnå den samme mængde arbejde kunne foretage en afvejning mellem kraft og afstand ved hjælp af en løftestang. Hans lov om løftestangen siger: “Størrelser er i ligevægt ved afstande, der er gensidigt proportionale med deres vægt”, ifølge “Archimedes in the 21st Century”, en virtuel bog af Chris Rorres fra New York University.
Løftestangen består af en lang bjælke og et omdrejningspunkt, eller pivot. Den mekaniske fordel ved håndtaget afhænger af forholdet mellem længderne af bjælken på hver side af omdrejningspunktet.
Sig f.eks. at vi ønsker at løfte en vægt på 45 kg (100 pund) 61 centimeter (2 fod) fra jorden. Vi kan udøve en kraft på 100 lbs. på vægten i opadgående retning i en afstand på 2 fod , og vi har udført et arbejde på 200 pound-feet (271 Newton-meter). Men hvis vi bruger en 9 m lang løftestang med den ene ende under vægten og et 30,5 cm langt punkt under bjælken i 3 m afstand fra vægten, skal vi kun trykke 50 pund (30,5 cm) på den anden ende. (23 kg) for at løfte vægten. Vi skal imidlertid skubbe enden af håndtaget 1,2 m nedad for at løfte vægten 1,2 m for at løfte vægten 2 m. Vi har foretaget en afvejning, hvor vi fordoblede den afstand, vi skulle bevæge håndtaget, men vi mindskede den nødvendige kraft med halvdelen for at udføre den samme mængde arbejde.
Skråplan
Det skråplan er simpelthen en flad overflade, der er hævet i en vinkel, ligesom en rampe. Ifølge Bob Williams, professor i afdelingen for maskinteknik ved Russ College of Engineering and Technology på Ohio University, er et skråplan en måde at løfte en last på, som ville være for tung til at løfte lige opad. Vinklen (hældningen af det skrå plan) bestemmer, hvor stor en indsats der er nødvendig for at løfte vægten. Jo stejlere rampen er, desto større er den krævede indsats. Det betyder, at hvis vi løfter vores vægt på 100 pund 2 fod ved at rulle den op ad en 4-fods rampe, reducerer vi den nødvendige kraft med halvdelen, samtidig med at vi fordobler den afstand, den skal flyttes over. Hvis vi bruger en 2,4 m (8 fod) rampe, kan vi reducere den nødvendige kraft til kun 25 lbs. (11,3 kg).
Remskive
Hvis vi ønsker at løfte den samme vægt på 100 pund med et reb, kan vi fastgøre en remskive til en bjælke over vægten. Dette ville lade os trække nedad i stedet for opad på rebet, men det kræver stadig en kraft på 100 pund. Men hvis vi bruger to remskiver – den ene fastgjort til bjælken ovenover og den anden fastgjort til vægten – og vi fastgør den ene ende af rebet til bjælken, fører det gennem remskiven på vægten og derefter gennem remskiven på bjælken, behøver vi kun at trække i rebet med en kraft på 50 lbs. for at løfte vægten, selv om vi skal trække i rebet 4 fod for at løfte vægten 2 fod. Igen har vi byttet øget afstand for mindre kraft.
Hvis vi ønsker at bruge endnu mindre kraft over en endnu større afstand, kan vi bruge en klods og anker. Ifølge kursusmateriale fra University of South Carolina: “En blok og tackling er en kombination af remskiver, som reducerer den kraft, der kræves for at løfte noget. Kompromiset er, at der kræves en længere længde reb for at flytte noget den samme afstand med en blok og anker.”
Så enkle som remskiver er, finder de stadig anvendelse i de mest avancerede nye maskiner. For eksempel anvender Hangprinteren, en 3D-printer, der kan bygge objekter i møbelstørrelse, et system af ledninger og computerstyrede remskiver, der er forankret i vægge, gulv og loft.
Skrue
“En skrue er i bund og grund et langt hældningsplan, der er viklet om en aksel, så dens mekaniske fordel kan tilnærmes på samme måde som hældningen”, står der på HyperPhysics, et websted, der er produceret af Georgia State University. Mange enheder bruger skruer til at udøve en kraft, der er meget større end den kraft, der bruges til at dreje skruen. Disse anordninger omfatter bænkeskruer og hjulmøtrikker på bilhjul. De opnår en mekanisk fordel ikke kun fra selve skruen, men i mange tilfælde også fra løftestangen fra et langt håndtag, der bruges til at dreje skruen.
Kile
Ifølge New Mexico Institute of Mining and Technology er “kiler bevægelige skråplan, der køres under belastninger for at løfte eller ind i en belastning for at dele eller adskille”. En længere, tyndere kile giver en større mekanisk fordel end en kortere, bredere kile, men en kile gør noget andet: En kiles hovedfunktion er at ændre retningen af den indgående kraft. Hvis vi f.eks. ønsker at flække en træstamme, kan vi med en forhammer drive en kile nedad i enden af træstammen med stor kraft, og kilen vil omdirigere denne kraft udad, hvilket vil få træet til at flække. Et andet eksempel er en dørstopper, hvor den kraft, der bruges til at skubbe den ind under dørens kant, overføres nedad, hvilket resulterer i en friktionskraft, der gør modstand mod at glide hen over gulvet.
Tilbagevendende rapportering af Charles Q. Choi, bidragyder til Live Science
Tilbagevendende ressourcer
- John H. Lienhard, professor emeritus i maskinteknik og historie ved University of Houston, tager “et andet kig på opfindelsen af hjulet.”
- Center of Science and Industry i Columbus, Ohio, har en interaktiv forklaring på simple maskiner.
- HyperPhysics, et websted produceret af Georgia State University, har illustrerede forklaringer på de seks simple maskiner.
Find nogle sjove aktiviteter, der involverer simple maskiner, på Museum of Science and Industry i Chicago.