Historian saatossa ihmiset ovat kehittäneet useita laitteita työn helpottamiseksi. Merkittävimmät näistä tunnetaan nimellä ”kuusi yksinkertaista konetta”: pyörä ja akseli, vipu, kalteva taso, hihnapyörä, ruuvi ja kiila, vaikka kolme jälkimmäistä ovat itse asiassa vain kolmen ensimmäisen koneen laajennuksia tai yhdistelmiä.
Koska työ määritellään kappaleeseen liikkeen suunnassa vaikuttavaksi voimaksi, kone helpottaa työn tekemistä suorittamalla Jefferson Labin mukaan yhden tai useamman seuraavista toiminnoista:
- siirtämällä voimaa paikasta toiseen,
- muuttamalla voiman suuntaa,
- kasvattamalla voiman suuruutta tai
- kasvattamalla voiman etäisyyttä tai nopeutta.
Yksinkertaiset koneet ovat laitteita, joissa ei ole lainkaan tai on hyvin vähän liikkuvia osia ja jotka helpottavat työtä. Monet nykypäivän monimutkaisista työkaluista ovat Coloradon yliopiston Boulderin yliopiston mukaan vain kuuden yksinkertaisen koneen yhdistelmiä tai monimutkaisempia muotoja. Voimme esimerkiksi kiinnittää pitkän kädensijan akseliin, jolloin saadaan aikaan vinssi, tai vetää kuormaa ramppia ylös ramppia käyttäen. Vaikka nämä koneet saattavat vaikuttaa yksinkertaisilta, ne tarjoavat meille edelleen keinoja tehdä monia asioita, joita emme voisi tehdä ilman niitä.
Pyörä ja akseli
Pyörää pidetään yhtenä maailmanhistorian merkittävimmistä keksinnöistä. ”Ennen pyörän keksimistä vuonna 3500 eaa. ihmiset olivat pahasti rajoittuneita sen suhteen, kuinka paljon tavaraa pystyimme kuljettamaan maata pitkin ja kuinka kauas”, kirjoitti Natalie Wolchover Live Sciencen artikkelissa ”Top 10 Inventions that Changed the World”. ”Pyörillä varustetut kärryt helpottivat maanviljelyä ja kaupankäyntiä mahdollistamalla tavaroiden kuljettamisen markkinoille ja markkinoilta sekä helpottamalla suurten etäisyyksien matkustavien ihmisten taakkaa.”
Pyörä vähentää huomattavasti kitkaa, joka syntyy, kun esinettä liikutetaan pinnalla. ”Jos laitat arkistokaappisi pienen kärryn päälle, jossa on pyörät, voit vähentää huomattavasti voimaa, jota sinun on käytettävä kaapin liikuttamiseen vakionopeudella”, Tennesseen yliopiston mukaan.
Kirjassaan ”Ancient Science: Prehistory-A.D. 500” (Gareth Stevens, 2010) Charlie Samuels kirjoittaa: ”Osassa maailmaa raskaita esineitä, kuten kiviä ja veneitä, siirrettiin tukkiteloilla. Kun esine liikkui eteenpäin, rullat otettiin takaa ja vaihdettiin eteen.” Tämä oli ensimmäinen askel pyörän kehityksessä.
Suuri innovaatio oli kuitenkin pyörän asentaminen akselille. Pyörä voitiin kiinnittää laakerilla tuettuun akseliin tai se voitiin saada pyörimään vapaasti akselin ympäri. Tämä johti kärryjen, vaunujen ja vaunujen kehittämiseen. Samuelsin mukaan arkeologit käyttävät akselilla pyörivän pyörän kehittämistä indikaattorina suhteellisen kehittyneestä sivilisaatiosta. Varhaisimmat todisteet akselilla pyörivistä pyöristä ovat peräisin noin vuodelta 3200 eaa. sumerilaisilta. Kiinalaiset keksivät pyörän itsenäisesti vuonna 2800 eaa.
Voiman moninkertaistajat
Kitkan vähentämisen lisäksi pyörä ja akseli voivat toimia myös voiman moninkertaistajina, kertoo Wileyn Science Quest -lehti. Jos pyörä on kiinnitetty akseliin ja pyörää käännetään voimalla, akseliin kohdistuva pyörimisvoima eli vääntömomentti on paljon suurempi kuin pyörän vanteeseen kohdistuva voima. Vaihtoehtoisesti akseliin voidaan kiinnittää pitkä kahva, jolloin saadaan aikaan samanlainen vaikutus.
Muut viisi konetta auttavat ihmistä lisäämään ja/tai suuntaamaan uudelleen esineeseen kohdistuvaa voimaa. Kirjassaan ”Moving Big Things” (It’s about time, 2009) Janet L. Kolodner ja hänen kanssakirjoittajansa kirjoittavat: ”Koneet tarjoavat mekaanista etua, joka auttaa esineiden liikuttamisessa. Mekaaninen etu on voiman ja etäisyyden välinen kompromissi.” Seuraavassa keskustelussa yksinkertaisista koneista, jotka lisäävät niiden syötteeseen kohdistuvaa voimaa, jätämme kitkavoiman huomiotta, koska useimmissa näistä tapauksista kitkavoima on hyvin pieni verrattuna niihin kohdistuviin syöttö- ja ulostulovoimiin.
Kun voimaa kohdistetaan tietyn matkan yli, se tuottaa työtä. Matemaattisesti tämä ilmaistaan muodossa W = F × D. Esimerkiksi esineen nostamiseksi on tehtävä työtä, jotta voidaan voittaa painovoiman aiheuttama voima ja siirtää esinettä ylöspäin. Jos halutaan nostaa esine, joka on kaksi kertaa painavampi, tarvitaan kaksi kertaa enemmän työtä sen nostamiseksi saman matkan verran. Saman esineen nostaminen kaksi kertaa pidemmälle vaatii myös kaksi kertaa enemmän työtä. Kuten matematiikasta käy ilmi, koneiden tärkein hyöty on se, että niiden avulla voimme tehdä saman määrän työtä kohdistamalla pienemmän määrän voimaa suuremmalle matkalle.
Vipu
”Anna minulle vipu ja paikka, jossa seistä, niin liikutan maailmaa.” Tämä kerskaileva väite liitetään kolmannen vuosisadan kreikkalaiselle filosofille, matemaatikolle ja keksijälle Arkhimedekselle. Vaikka se saattaa olla hieman liioiteltua, se kuitenkin ilmaisee vipuvoiman voiman, joka ainakin kuvainnollisesti liikuttaa maailmaa.
Arkhimedesin nerokkuus oli oivaltaa, että saman työmäärän tai työn aikaansaamiseksi voitiin tehdä vipua käyttäen kompromissi voiman ja etäisyyden välillä. Hänen vipulakissaan sanotaan: ”Suureet ovat tasapainossa etäisyyksillä, jotka ovat vastavuoroisesti verrannollisia niiden painoihin”, kertoo Chris Rorresin New Yorkin yliopistossa kirjoittama virtuaalikirja ”Archimedes in the 21st Century”.
Vipu koostuu pitkästä palkista ja tukipisteestä eli nivelestä. Vivun mekaaninen etu riippuu tukipisteen molemmin puolin olevan palkin pituuksien suhteesta.
Esitettäköön esimerkiksi, että haluamme nostaa 45 kilogramman (45 paunan) painon kahden jalan (61 senttimetrin) korkeudelle maasta. Voimme käyttää 100 paunan voimaa painoon ylöspäin 2 jalan matkan ajan , ja olemme tehneet 200 paunajalan (271 newtonmetrin) työn. Jos kuitenkin käyttäisimme 9 metrin (30 jalan) pituista vipua, jonka toinen pää on painon alla ja jonka toinen pää on 30,5 senttimetrin (1 jalan) pituinen tukipiste, joka on sijoitettu palkin alle 3 metrin (10 jalan) päähän painosta, meidän tarvitsisi painaa alaspäin toiseen päähän vain 50 lbs. (23 kg) voimaa painon nostamiseksi. Meidän olisi kuitenkin työnnettävä vivun päätä alaspäin 1,2 metriä (4 jalkaa), jotta nostaisimme painoa 2 jalkaa. Olemme tehneet kompromissin, jossa kaksinkertaistimme vipua siirrettävän matkan, mutta pienensimme tarvittavan voiman puoleen tehdaksemme saman määrän työtä.
Kalteva taso
Kalteva taso on yksinkertaisesti tasainen pinta, joka on nostettu kulmassa, kuten luiska. Ohion yliopiston Russ College of Engineering and Technologyn konetekniikan osaston professorin Bob Williamsin mukaan kalteva taso on keino nostaa kuormaa, joka olisi liian raskas nostettavaksi suoraan ylös. Kulma (kaltevan tason jyrkkyys) määrittää, kuinka paljon ponnistelua tarvitaan painon nostamiseen. Mitä jyrkempi luiska on, sitä enemmän ponnistelua tarvitaan. Tämä tarkoittaa sitä, että jos nostamme 100-kiloisen painon kahden jalan korkeuteen vierittämällä sen neljän jalan luiskaa pitkin, vähennämme tarvittavan voiman puoleen ja kaksinkertaistamme samalla matkan, joka painon on kuljettava. Jos käyttäisimme 2,4 metrin (8 jalan) luiskaa, voisimme vähentää tarvittavan voiman vain 25 paunaan. (11,3 kg).
Hihnapyörä
Jos haluamme nostaa saman 100-kiloisen painon köyden avulla, voisimme kiinnittää hihnapyörän painon yläpuolella olevaan palkkiin. Näin voisimme vetää köyden avulla alaspäin eikä ylöspäin, mutta se vaatii silti 100 paunan voiman. Jos kuitenkin käytämme kahta hihnapyörää – toinen on kiinnitetty yläpuolella olevaan palkkiin ja toinen painoon – ja kiinnitämme köyden toisen pään palkkiin, viemme sen painon hihnapyörän läpi ja sen jälkeen palkin hihnapyörän läpi, joudumme vetämään köydestä vain 50 paunan voimalla nostaaksemme painon, vaikka joudumme vetämään köyttä 4 jalkaa nostaaksemme painoa 2 jalkaa. Jälleen olemme vaihtaneet suuremman etäisyyden pienempään voimaan.
Jos haluamme käyttää vieläkin vähemmän voimaa vieläkin suuremmalla etäisyydellä, voimme käyttää apuvälineitä. Etelä-Carolinan yliopiston kurssimateriaalin mukaan: ”Lohko ja vaijeri on hihnapyörien yhdistelmä, joka vähentää jonkin nostamiseen tarvittavan voiman määrää. Vastapainoksi tarvitaan pidempi köysi, jotta voidaan siirtää jotakin saman matkan verran.”
Niin yksinkertaisia kuin hihnapyörät ovatkin, niitä käytetään yhä uusissa edistyksellisimmissä koneissa. Esimerkiksi Hangprinter, 3D-tulostin, jolla voidaan rakentaa huonekalujen kokoisia esineitä, käyttää seiniin, lattiaan ja kattoon ankkuroitujen vaijereiden ja tietokoneohjattujen hihnapyörien järjestelmää.
Ruuvi
”Ruuvi on pohjimmiltaan akselin ympärille kiedottu pitkä kalteva taso, joten sen mekaanista etua voidaan lähestyä samalla tavalla kuin kaltevaa tasoa”, kerrotaan HyperPhysics-sivustolla, joka on Georgian osavaltio-yliopiston tuottama sivusto. Monissa laitteissa ruuveja käytetään käyttämään voimaa, joka on paljon suurempi kuin ruuvin kääntämiseen käytetty voima. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi ruuvipenkit ja autonrenkaiden pyöränmutterit. Ne saavat mekaanisen edun paitsi itse ruuvista myös monissa tapauksissa ruuvin kääntämiseen käytetyn pitkän kahvan vipuvoimasta.
Kiila
New Mexicon kaivos- ja teknologiainstituutin (New Mexico Institute of Mining and Technology) mukaan ”kiilat ovat liikkuvia kaltevia tasoja, jotka ajetaan kuorman alle kuorman nostamiseksi tai kuorman sisään halkaisemiseksi tai erottamiseksi.” Pidempi ja ohuempi kiila antaa enemmän mekaanista etua kuin lyhyempi ja leveämpi kiila, mutta kiila tekee muutakin: kiilan päätehtävä on muuttaa syöttövoiman suuntaa. Jos esimerkiksi haluamme halkaista tukin, voimme lyödä kiilaa alaspäin tukin päähän suurella voimalla lekalla, ja kiila ohjaa tämän voiman ulospäin, jolloin puu halkeaa. Toinen esimerkki on ovipysäytin, jonka oven reunan alle työntämiseen käytetty voima siirtyy alaspäin, jolloin syntyy kitkavoima, joka vastustaa liukumista lattialla.
Lisätoimittaja Charles Q. Choi, Live Science -lehden toimittaja
Lisätoimittajat
- Houstonin yliopiston koneenrakennustekniikan ja historian emeritaprofessori John H. Lienhard tarkastelee ”vielä kerran pyörän keksintöä”.”
- Columbuksessa, Ohiossa, sijaitsevassa Center of Science and Industryssä on interaktiivinen selitys yksinkertaisista koneista.
- Georgia State Universityn tuottamalla HyperPhysics-sivustolla on kuvitettuja selityksiä kuudesta yksinkertaisesta koneesta.
Hauskoja aktiviteetteja, joihin liittyy yksinkertaisia koneita, on Chicagossa sijaitsevassa tiede- ja teollisuusmuseossa (Museum of Science and Industry in Chicago).