W ciągu historii ludzie stworzyli kilka urządzeń ułatwiających pracę. Najbardziej znane z nich znane są jako „sześć maszyn prostych”: koło i oś, dźwignia, równia pochyła, koło pasowe, śruba i klin, chociaż te trzy ostatnie są właściwie tylko przedłużeniami lub kombinacjami pierwszych trzech.
Ponieważ pracę definiuje się jako siłę działającą na obiekt w kierunku ruchu, maszyna ułatwia wykonanie pracy poprzez spełnienie jednej lub więcej z następujących funkcji, według Jefferson Lab:
- przenoszenie siły z jednego miejsca na drugie,
- zmienianie kierunku działania siły,
- zwiększanie wielkości siły lub
- zwiększanie odległości lub prędkości siły.
Maszyny proste to urządzenia bez części ruchomych lub z bardzo małą ich liczbą, które ułatwiają pracę. Wiele z dzisiejszych złożonych narzędzi to tylko kombinacje lub bardziej skomplikowane formy sześciu prostych maszyn, według Uniwersytetu Kolorado w Boulder. Na przykład, możemy przymocować długą rączkę do wału, aby stworzyć windę, lub użyć bloczków i kleszczy, aby wciągnąć ładunek na rampę. Chociaż te maszyny mogą wydawać się proste, nadal dostarczają nam środków do robienia wielu rzeczy, których nigdy nie moglibyśmy zrobić bez nich.
Koło i oś
Koło jest uważane za jeden z najbardziej znaczących wynalazków w historii świata. „Przed wynalezieniem koła w 3500 r. p.n.e. ludzie byli poważnie ograniczeni w tym, ile rzeczy mogliśmy transportować drogą lądową i jak daleko” – napisała Natalie Wolchover w artykule Live Science „Top 10 Inventions that Changed the World”. „Wozy na kółkach ułatwiły rolnictwo i handel, umożliwiając transport towarów na i z rynków, a także zmniejszając obciążenia ludzi podróżujących na duże odległości.”
Koło znacznie zmniejsza tarcie napotkane, gdy obiekt jest przenoszony po powierzchni. „Jeśli umieścisz swoją szafkę na akta na małym wózku z kołami, możesz znacznie zmniejszyć siłę, którą musisz zastosować, aby przesunąć szafkę ze stałą prędkością”, według University of Tennessee.
W swojej książce „Ancient Science: Prehistory-A.D. 500” (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels pisze, „W niektórych częściach świata, ciężkie przedmioty, takie jak skały i łodzie były przenoszone za pomocą walców z bali. Gdy obiekt poruszał się do przodu, wałki były zabierane z tyłu i zastępowane z przodu.” To był pierwszy krok w rozwoju koła.
Wielka innowacja, choć, była w montażu koła na osi. Koło mogło być przymocowane do osi, która była wspierana przez łożysko, lub mogło być wykonane, aby obracać się swobodnie wokół osi. Doprowadziło to do rozwoju wozów, furmanek i rydwanów. Według Samuelsa archeolodzy uważają, że pojawienie się koła obracającego się na osi jest wskaźnikiem względnie zaawansowanej cywilizacji. Najwcześniejsze dowody na istnienie kół na osiach pochodzą z około 3200 r. p.n.e. od Sumerów. Chińczycy niezależnie wynaleźli koło w 2800 r. p.n.e.
Mnożniki siły
Oprócz zmniejszenia tarcia, koło i oś mogą również służyć jako mnożnik siły, zgodnie z Science Quest z Wiley. Jeśli koło jest przymocowane do osi, a siła jest używana do obracania koła, siła obrotowa, lub moment obrotowy, na osi jest znacznie większa niż siła przyłożona do obręczy koła. Alternatywnie, długi uchwyt może być przymocowany do osi, aby osiągnąć podobny efekt.
Pozostałe pięć maszyn wszystkie pomagają ludziom zwiększyć i/lub przekierować siłę przyłożoną do obiektu. W książce „Moving Big Things” (It’s about time, 2009), Janet L. Kolodner i jej współautorzy piszą: „Maszyny zapewniają przewagę mechaniczną, aby pomóc w przemieszczaniu obiektów. Przewaga mechaniczna to kompromis pomiędzy siłą a odległością”. W poniższej dyskusji na temat prostych maszyn, które zwiększają siłę przyłożoną do ich wejścia, zaniedbamy siłę tarcia, ponieważ w większości tych przypadków, siła tarcia jest bardzo mała w porównaniu do zaangażowanych sił wejściowych i wyjściowych.
Gdy siła jest przyłożona na odległość, wytwarza pracę. Matematycznie jest to wyrażone jako W = F × D. Na przykład, aby podnieść obiekt, musimy wykonać pracę, aby pokonać siłę grawitacji i przesunąć obiekt do góry. Aby podnieść przedmiot, który jest dwa razy cięższy, potrzeba dwa razy więcej pracy, aby podnieść go na tę samą odległość. Potrzeba również dwa razy więcej pracy, aby podnieść ten sam obiekt dwa razy dalej. Jak wskazuje matematyka, główną zaletą maszyn jest to, że pozwalają nam wykonać tę samą ilość pracy poprzez zastosowanie mniejszej siły na większą odległość.
Dźwignia
„Dajcie mi dźwignię i miejsce do stania, a poruszę świat.” To chełpliwe twierdzenie przypisywane jest greckiemu filozofowi, matematykowi i wynalazcy Archimedesowi z III wieku. Choć może to być lekka przesada, wyraża ono moc dźwigni, która, przynajmniej w przenośni, porusza świat.
Geniusz Archimedesa polegał na uświadomieniu sobie, że aby wykonać tę samą ilość pracy, można dokonać kompromisu między siłą a odległością za pomocą dźwigni. Jego Prawo Dźwigni mówi: „Wielkości są w równowadze w odległościach wzajemnie proporcjonalnych do ich wagi”, zgodnie z „Archimedes w XXI wieku”, wirtualną książką autorstwa Chrisa Rorresa z New York University.
Dźwignia składa się z długiej belki i punktu obrotu. Przewaga mechaniczna dźwigni zależy od stosunku długości belki po obu stronach punktu podparcia.
Na przykład, powiedzmy, że chcemy podnieść ciężar o wadze 100 funtów (45 kilogramów) na wysokość 2 stóp (61 centymetrów) od ziemi. Możemy wywierać 100 funtów siły na ciężar w kierunku do góry na odległość 2 stóp , a my zrobiliśmy 200 funtów stóp (271 niutonometrów) pracy. Gdybyśmy jednak użyli dźwigni o długości 9 m (30 stóp), której jeden koniec znajduje się pod ciężarem, a punkt podparcia o długości 30,5 cm (1 stopa) umieszczony jest pod belką w odległości 3 m (10 stóp) od ciężaru, musielibyśmy jedynie naciskać na drugi koniec z siłą 23 kg (50 funtów), aby podnieść ciężar. (23 kg) siły, aby podnieść ciężar. Musielibyśmy jednak przesunąć koniec dźwigni w dół o 1,2 m, aby podnieść ciężar o 2 stopy. Dokonaliśmy kompromisu, w którym podwoiliśmy odległość, na jaką musieliśmy przesunąć dźwignię, ale zmniejszyliśmy potrzebną siłę o połowę, aby wykonać tę samą ilość pracy.
Płaszczyzna pochyła
Płaszczyzna pochyła to po prostu płaska powierzchnia podniesiona pod kątem, jak rampa. Według Boba Williamsa, profesora na wydziale inżynierii mechanicznej w Russ College of Engineering and Technology na Uniwersytecie Ohio, nachylona płaszczyzna jest sposobem na podniesienie ładunku, który byłby zbyt ciężki, aby podnieść go prosto do góry. Kąt (stromość pochyłej płaszczyzny) określa, ile wysiłku potrzeba, aby podnieść ciężar. Im bardziej stroma rampa, tym większy wysiłek jest wymagany. Oznacza to, że jeśli podniesiemy nasz 100-lb. ciężar o 2 stopy, tocząc go po 4-stopowej rampie, zmniejszymy potrzebną siłę o połowę, jednocześnie podwajając odległość, na jaką musi zostać przeniesiony. Jeśli użylibyśmy rampy o długości 2,4 m (8 stóp), moglibyśmy zmniejszyć potrzebną siłę do zaledwie 25 funtów. (11,3 kg).
Koło pasowe
Jeśli chcemy podnieść ten sam 100 funtowy ciężar za pomocą liny, możemy przymocować koło pasowe do belki nad ciężarem. To pozwoliłoby nam ciągnąć w dół zamiast w górę na linie, ale nadal wymaga 100 funtów siły. Gdybyśmy jednak użyli dwóch kół pasowych – jednego przymocowanego do belki nad głową, a drugiego do ciężaru – i przymocowali jeden koniec liny do belki, przeprowadzili go przez koło pasowe na ciężarze, a następnie przez koło pasowe na belce, musielibyśmy ciągnąć za linę z siłą 50 funtów, aby podnieść ciężar, chociaż musielibyśmy ciągnąć linę 4 stopy, aby podnieść ciężar o 2 stopy. Ponownie, zamieniliśmy zwiększoną odległość na zmniejszoną siłę.
Jeśli chcemy użyć jeszcze mniejszej siły na jeszcze większą odległość, możemy użyć bloczka i haka. Według materiałów szkoleniowych z University of South Carolina, „blok i hak jest kombinacją kół pasowych, która zmniejsza ilość siły wymaganej do podniesienia czegoś. Kompromisem jest to, że dłuższa długość liny jest wymagana dla bloku i kleszczy, aby przenieść coś w tej samej odległości.”
Jak proste jak koła pasowe są, są one nadal znalezienie wykorzystania w najbardziej zaawansowanych nowych maszyn. Na przykład, Hangprinter, drukarka 3D, która może budować obiekty wielkości mebli, wykorzystuje system przewodów i sterowanych komputerowo kół pasowych zakotwiczonych do ścian, podłogi i sufitu.
Śruba
„Śruba jest w zasadzie długą płaszczyzną pochyłą owiniętą wokół wału, więc jej przewaga mechaniczna może być traktowana w ten sam sposób, co pochylenie”, zgodnie z HyperPhysics, stroną internetową stworzoną przez Georgia State University. Wiele urządzeń wykorzystuje śruby do wywierania siły, która jest znacznie większa niż siła użyta do obracania śruby. Do takich urządzeń należą imadła i nakrętki mocujące w kołach samochodowych. Zyskują one przewagę mechaniczną nie tylko dzięki samej śrubie, ale również, w wielu przypadkach, dzięki dźwigni długiego uchwytu używanego do obracania śruby.
Klin
Według Instytutu Górnictwa i Technologii w Nowym Meksyku, „kliny są ruchomymi pochyłymi płaszczyznami, które są wbijane pod ładunki, aby je podnieść, lub w ładunek, aby go rozdzielić lub oddzielić.” Dłuższy, cieńszy klin daje większą przewagę mechaniczną niż krótszy, szerszy klin, ale klin robi coś jeszcze: główną funkcją klina jest zmiana kierunku siły wejściowej. Na przykład, jeśli chcemy rozłupać kłodę, możemy z dużą siłą wbić klin młotem kowalskim w dół na końcu kłody, a klin przekieruje tę siłę na zewnątrz, powodując rozłupanie drewna. Innym przykładem jest ogranicznik do drzwi, gdzie siła użyta do wepchnięcia go pod krawędź drzwi jest przenoszona w dół, co skutkuje siłą tarcia, która opiera się przesuwaniu po podłodze.
Dodatkowe raportowanie przez Charles Q. Choi, Live Science contributor
Dodatkowe zasoby
- John H. Lienhard, profesor emeritus inżynierii mechanicznej i historii na Uniwersytecie w Houston, bierze „inne spojrzenie na wynalazek koła.”
- Centrum Nauki i Przemysłu w Columbus, Ohio, ma interaktywne wyjaśnienie maszyn prostych.
- HyperPhysics, witryna internetowa wyprodukowana przez Georgia State University, ma ilustrowane wyjaśnienia sześciu maszyn prostych.
Znajdź kilka zabawnych działań obejmujących maszyny proste w Muzeum Nauki i Przemysłu w Chicago.
.