歴史上、人間は仕事を楽にするためにいくつかの装置を開発した。 車輪と車軸、てこ、傾斜面、滑車、ねじ、くさびなどであるが、後の3つは実際には最初の3つの延長または組み合わせに過ぎない。
仕事とは、物体の運動方向に働く力と定義されるので、ジェファーソン研究室によれば、機械は以下の機能の1つ以上を達成することによって仕事をしやすくするものである。
- 力をある場所から別の場所に伝達する、
- 力の方向を変える、
- 力の大きさを大きくする、または
- 力の距離や速度を大きくする。
単純な機械は、作業を容易にする、可動部分がないか、非常に少ない装置です。 コロラド大学ボールダー校によると、今日の複雑な道具の多くは、6 つの単純機械の組み合わせか、より複雑な形態にすぎません。 例えば、軸に長いハンドルを取り付けて巻き上げ機を作ったり、ブロック＆タックルを使って荷物をスロープに引き上げたりすることがあります。 これらの機械は単純に見えるかもしれないが、それがなければ決してできないような多くのことを行う手段を私たちに提供し続けている。
車輪と車軸
車輪は世界の歴史の中で最も重要な発明のひとつと考えられている。 “紀元前3500年に車輪が発明される以前は、人類は陸上でどれだけのものをどれだけの距離で運べるか、ひどく制限されていた” と、ナタリー・ウォルチョーバーは Live Science の記事 “Top 10 Inventions that Changed the World” の中で書いています。 「車輪付きの荷車は、市場への商品の輸送を可能にし、長距離を移動する人々の負担を軽減することによって、農業と商業を促進しました」
車輪は、物体が表面上を移動するときに生じる摩擦を大幅に減少させます。 テネシー大学によると、「ファイルキャビネットを車輪のついた小さな台車に乗せると、キャビネットを一定の速度で動かすために必要な力を大幅に減らすことができる」
著書「古代の科学」の中で、こう述べています。 チャーリー・サミュエルズは「Prehistory-A.D. 500」（Gareth Stevens, 2010）の中で、「世界の一部では、岩や船などの重いものを丸太のローラーを使って移動させていた。 物体が前に進むと、ローラーは後ろから取られ、前に置き換わった。” これは車輪の開発の第一歩であった。
しかし、大きな革新は車軸に車輪を取り付けたことであった。 車輪は軸受で支持された車軸に取り付けられるものと、車軸を中心に自由に回転するものとがあった。 これが、荷車、馬車、チャリオットなどの発達につながった。 サミュエルズによれば、考古学者は車軸で回転する車輪の発達を、比較的進んだ文明の指標としている。 車軸に車輪をつけた最古の証拠は、シュメール人による紀元前3200年頃のものである。
Force multipliers
Wiley の Science Quest によれば、摩擦を減らすだけでなく、車輪と車軸は力を増幅する役割も果たします。 車輪を車軸に取り付け、力を使って車輪を回すと、車軸にかかる回転力、つまりトルクは、車輪の縁にかかる力よりはるかに大きくなります。 あるいは、車軸に長いハンドルを取り付けて同様の効果を得ることもできます。
他の5つの機械はすべて、人間が物体に加える力を増大させたり、方向転換させたりするのを助けるものです。 ジャネット・L・コロドナー氏とその共著者は、著書「Moving Big Things」（It’s about time, 2009）の中で、「機械は物体の移動を補助するために機械的利点を提供する」と書いている。 機械的優位性とは、力と距離のトレードオフである。” 以下、入力に加えられる力を増大させる単純な機械について説明するが、これらのほとんどの場合、摩擦の力は関係する入力と出力の力に比べて非常に小さいので無視することにする
ある力が距離にわたって加えられると、仕事が発生する。 例えば、物体を持ち上げるには、重力に打ち勝って物体を上方に移動させる仕事が必要である。 2倍の重さのものを持ち上げるには、同じ距離を持ち上げるのに2倍の仕事が必要です。 また、同じものを2倍の距離持ち上げるのにも、2倍の仕事が必要です。 7928>
Lever
“Give me a lever and a place to stand, and I’ll move the world.”（私にレバーと立つ場所を与えれば、世界を動かすことができる）。 この自慢げな主張は、3世紀のギリシャの哲学者、数学者、発明家であるアルキメデスによるものである。 アルキメデスの天才は、同じ量の仕事をするためには、てこを使って力と距離をトレードオフにすることができることに気づいたことだ。 ニューヨーク大学のクリス・ロレスによるバーチャルブック「21世紀のアルキメデス」によると、彼の「てこの法則」は、「大きさは、その重さに反比例する距離で平衡になる」と述べています。
たとえば、100ポンド（45キログラム）の重りを地面から2フィート（61センチメートル）持ち上げたいとします。 このとき、2 フィートの距離で上方向に 100 ポンドの力を加えることができ、200 ポンド フィート（271 ニュートン メートル）の仕事をしたことになります。 しかし、30 フィート (9 m) のレバーの一端をおもりの下に置き、1 フィート (30.5 cm) の支点をおもりから 10 フィート (3 m) の梁の下に置いて使用すると、もう一端を 50 ポンドの力で押し下げればよいことになります。 (23kg)の力でもう一方の端を押し下げるだけで、おもりを持ち上げることができます。 しかし、重りを2フィート持ち上げるためには、レバーの端を4フィート（1.2m）下に押し下げなければならない。
傾斜面
傾斜面とは、平らな面を斜めにしたもので、スロープのようなものです。 オハイオ大学ラス工学部機械工学科のボブ・ウィリアムズ教授によると、傾斜面は、真上に持ち上げるには重すぎる荷物を持ち上げるための方法である。 傾斜面の角度（急勾配）により、重量を持ち上げるのに必要な力が決まります。 傾斜面が急であればあるほど、より多くの力が必要になります。 つまり、100ポンドのおもりを4フィートのスロープに転がして2フィート持ち上げると、必要な力は半分になりますが、移動距離は倍になります。 もし、8フィート（2.4m）のスロープを使うなら、必要な力はわずか25ポンド（約1.5kg）にまで減らせるでしょう。 (11.3 kg) まで減らすことができます。
滑車
同じ100ポンドの重りをロープで持ち上げたい場合、重りの上の梁に滑車を取り付けることができます。 この場合、ロープを上に引くのではなく、下に引くことになりますが、それでも100ポンドの力が必要です。 しかし、2つの滑車（1つは頭上の梁に、もう1つはおもりに取り付ける）を使い、ロープの一端を梁に取り付け、おもりの滑車を通してから梁の滑車に通すと、おもりを持ち上げるために50ポンドの力でロープを引く必要がありますが、おもりを2フィート持ち上げるために4フィートロープを引く必要があるのです。
さらに少ない力で、さらに長い距離を移動したい場合は、ブロックとタックルを使用します。 サウスカロライナ大学の教材によると、「ブロックとタックルは滑車の組み合わせで、何かを持ち上げるのに必要な力の量を減らすことができます。 その代償として、ブロックとタックルでは、同じ距離だけ何かを動かすために、より長いロープの長さが必要になります」
滑車と同じくらいシンプルですが、最も先進的な新しい機械にまだ使われています。 たとえば、家具サイズのオブジェクトを構築できる 3D プリンターである Hangprinter は、壁、床、天井に固定されたワイヤーとコンピュータ制御の滑車のシステムを採用しています。
Screw
ジョージア州立大学が制作した Web サイト HyperPhysics では、「ねじは本質的に軸に巻きついた長い傾斜面なので、機械的優位性は傾斜と同じ方法でアプローチすることができる」としています。 多くの装置では、ネジを回す力よりもはるかに大きな力を発揮させるために、ネジを使用しています。 ベンチバイスや自動車のホイールのラグナットなどがそれである。
Wedge
New Mexico Institute of Mining and Technologyによると、「ウェッジは、持ち上げるために荷物の下に、あるいは分割や分離のために荷物に打ち込まれる移動傾斜面である」という。 長くて薄い楔は、短くて広い楔よりも機械的な利点を与えますが、楔の主な機能は、入力された力の方向を変えることで、それ以外にもあります。 例えば、丸太を割る場合、ハンマーで丸太の端にクサビを勢いよく打ち込むと、クサビがその力を外側に向け、木を割ることができる。 もう1つの例はドアストッパーで、ドアの端の下に押し込むために使われた力が下方に伝わり、床を滑るのに抵抗する摩擦力をもたらします。
追加取材：Live Science寄稿者Charles Q. Choi
- 追加リソース
- ヒューストン大学機械工学および歴史学の名誉教授、John H. Lienhardは「車輪の発明についてもう一度考えてみましょう」と述べています。「
- The Center of Science and Industry in Columbus, Ohio には、単純機械のインタラクティブな説明があります。
- HyperPhysics, a website produced by Georgia State University, has illustrated explanation of the six simple machines.
Find some fun activities involving simple machines at the Museum of Science and Industry in Chicago.