Under historiens gång har människan utvecklat flera anordningar för att underlätta arbetet. De mest kända av dessa är kända som de ”sex enkla maskinerna”: hjulet och axeln, hävstången, det lutande planet, remskivan, skruven och kilen, även om de tre sistnämnda egentligen bara är förlängningar eller kombinationer av de tre första.
Eftersom arbete definieras som en kraft som verkar på ett objekt i rörelseriktningen, gör en maskin arbetet lättare att utföra genom att utföra en eller flera av följande funktioner, enligt Jefferson Lab:
- överföring av en kraft från en plats till en annan,
- förändring av en krafts riktning,
- ökning av en krafts storlek, eller
- ökning av en krafts avstånd eller hastighet.
Enkla maskiner är anordningar utan eller med mycket få rörliga delar som underlättar arbetet. Många av dagens komplexa verktyg är bara kombinationer eller mer komplicerade former av de sex enkla maskinerna, enligt University of Colorado at Boulder. Vi kan till exempel fästa ett långt handtag på en axel för att göra en vinsch, eller använda ett block och en anordning för att dra upp en last på en ramp. Även om dessa maskiner kan verka enkla fortsätter de att ge oss möjlighet att göra många saker som vi aldrig skulle kunna göra utan dem.
Hjul och axel
Hjulet anses vara en av de mest betydelsefulla uppfinningarna i världshistorien. ”Innan hjulet uppfanns 3500 f.Kr. var människan starkt begränsad i hur mycket saker vi kunde transportera över land, och hur långt”, skriver Natalie Wolchover i Live Science-artikeln ”Top 10 Inventions that Changed the World”. ”Hjulvagnar underlättade jordbruk och handel genom att möjliggöra transport av varor till och från marknader samt underlättade för människor som reste långa sträckor.”
Hjulet minskar kraftigt den friktion som uppstår när ett föremål förflyttas över en yta. ”Om du sätter ditt arkivskåp på en liten vagn med hjul kan du kraftigt minska den kraft du behöver använda för att flytta skåpet med konstant hastighet”, enligt University of Tennessee.
I sin bok ”Ancient Science: I sin bok ”Ancient Science: Prehistory-A.D. 500” (Gareth Stevens, 2010) skriver Charlie Samuels: ”I vissa delar av världen förflyttades tunga föremål som stenar och båtar med hjälp av timmerrullar. När föremålet rörde sig framåt togs rullarna bakifrån och byttes ut framför.” Detta var det första steget i utvecklingen av hjulet.
Den stora innovationen var dock att montera ett hjul på en axel. Hjulet kunde fästas på en axel som stöddes av ett lager, eller så kunde det fås att rotera fritt runt axeln. Detta ledde till utvecklingen av kärror, vagnar och vagnar. Enligt Samuels använder arkeologer utvecklingen av ett hjul som roterar på en axel som en indikator på en relativt avancerad civilisation. De tidigaste bevisen för hjul på axlar är från cirka 3200 f.Kr. av sumererna. Kineserna uppfann hjulet oberoende av varandra 2800 f.Kr.
Kraftmultiplikatorer
Förutom att minska friktionen kan ett hjul och en axel också fungera som en kraftmultiplikator, enligt Science Quest från Wiley. Om ett hjul är fäst vid en axel och en kraft används för att vrida hjulet är rotationskraften, eller vridmomentet, på axeln mycket större än den kraft som tillämpas på hjulets fälg. Alternativt kan ett långt handtag fästas på axeln för att uppnå en liknande effekt.
De övriga fem maskinerna hjälper alla människan att öka och/eller omdirigera den kraft som tillämpas på ett föremål. I sin bok ”Moving Big Things” (It’s about time, 2009) skriver Janet L. Kolodner och hennes medförfattare: ”Maskiner ger en mekanisk fördel för att hjälpa till att flytta objekt. Mekanisk fördel är en kompromiss mellan kraft och avstånd.” I den följande diskussionen om enkla maskiner som ökar den kraft som tillämpas på deras ingång kommer vi att försumma friktionskraften, eftersom friktionskraften i de flesta av dessa fall är mycket liten jämfört med de ingående och utgående krafterna som är inblandade.
När en kraft tillämpas över en sträcka producerar den arbete. Matematiskt uttrycks detta som W = F × D. För att lyfta ett föremål måste vi till exempel utföra arbete för att övervinna gravitationskraften och förflytta föremålet uppåt. För att lyfta ett föremål som är dubbelt så tungt krävs dubbelt så mycket arbete för att lyfta det samma sträcka. Det krävs också dubbelt så mycket arbete för att lyfta samma föremål dubbelt så långt. Som framgår av matematiken är den största fördelen med maskiner att de gör det möjligt för oss att utföra samma mängd arbete genom att tillämpa en mindre mängd kraft över en längre sträcka.
Hävstång
”Ge mig en hävstång och en plats att stå på, så kan jag förflytta hela världen.” Detta skrytsamma påstående tillskrivs den grekiske filosofen, matematikern och uppfinnaren Archimedes från 300-talet. Även om det kan vara lite överdrivet, uttrycker det hävstångens kraft, som åtminstone bildligt talat förflyttar världen.
Arkimedes’ genialitet bestod i att han insåg att man, för att åstadkomma samma mängd arbete, kunde göra en avvägning mellan kraft och avstånd med hjälp av en hävstång. Hans hävstångslag säger: ”Storheter är i jämvikt på avstånd som är ömsesidigt proportionella mot deras vikt”, enligt ”Archimedes in the 21st Century”, en virtuell bok av Chris Rorres vid New York University.
Hävstången består av en lång balk och en knutpunkt, eller pivot. Hävarmens mekaniska fördel beror på förhållandet mellan längderna på balken på vardera sidan av punkten.
Säg till exempel att vi vill lyfta en vikt på 45 kg (100 lb) en halv meter (61 centimeter) från marken. Vi kan utöva en kraft på 100 pund på vikten i uppåtgående riktning på en sträcka av 2 fot , och vi har utfört ett arbete på 271 Newtonmeter (200 pound-feet). Men om vi skulle använda en 9 meter lång hävstång med den ena änden under vikten och en 30,5 cm lång svängpunkt som är placerad under balken 3 meter från vikten, skulle vi bara behöva trycka ner den andra änden med 50 lbs. (23 kg) för att lyfta vikten. Vi skulle dock behöva trycka ner spakens ände 1,2 m (4 fot) för att lyfta vikten 2 fot. Vi har gjort en kompromiss där vi fördubblade avståndet vi behövde förflytta hävstången, men vi minskade den nödvändiga kraften med hälften för att utföra samma mängd arbete.
Lutande plan
Det lutande planet är helt enkelt en plan yta som höjs i en vinkel, som en ramp. Enligt Bob Williams, professor vid avdelningen för maskinteknik vid Russ College of Engineering and Technology vid Ohio University, är ett lutande plan ett sätt att lyfta en last som skulle vara för tung att lyfta rakt upp. Vinkeln (lutande planets branthet) avgör hur mycket ansträngning som krävs för att lyfta vikten. Ju brantare rampen är, desto större ansträngning krävs. Det betyder att om vi lyfter vår vikt på 100 pund två meter genom att rulla upp den på en 4-fotsramp, minskar vi den nödvändiga kraften med hälften samtidigt som vi fördubblar den sträcka som den måste förflyttas. Om vi använder en ramp på 2,4 m (8 fot) kan vi minska den nödvändiga kraften till endast 25 lbs. (11,3 kg).
Remskiva
Om vi vill lyfta samma vikt på 100 pund med ett rep kan vi fästa en remskiva på en balk ovanför vikten. Detta skulle låta oss dra neråt i stället för uppåt på repet, men det kräver fortfarande en kraft på 100 pund. Om vi däremot skulle använda två remskivor – en som är fäst vid balken ovanför och en som är fäst vid vikten – och vi skulle fästa den ena änden av repet vid balken, dra det genom remskivan på vikten och sedan genom remskivan på balken, skulle vi bara behöva dra i repet med en kraft på 50 lbs. för att lyfta vikten, även om vi skulle behöva dra i repet 4 fot för att lyfta vikten 2 fot. Återigen har vi bytt ut ökat avstånd mot minskad kraft.
Om vi vill använda ännu mindre kraft över ett ännu större avstånd kan vi använda en block och tackling. Enligt kursmaterialet från University of South Carolina: ”En block and tackle är en kombination av remskivor som minskar den kraft som krävs för att lyfta något. Motprestationen är att det krävs en längre replängd för att en block and tackle ska förflytta något på samma sträcka.”
Så enkla som remskivor är, används de fortfarande i de mest avancerade nya maskinerna. Hangprinter, en 3D-skrivare som kan bygga föremål i möbelstorlek, använder till exempel ett system av vajrar och datorstyrda remskivor som är förankrade i väggarna, golvet och taket.
Skruv
”En skruv är i huvudsak ett långt lutningsplan som är lindat runt en axel, så dess mekaniska fördel kan närma sig på samma sätt som lutningen”, enligt HyperPhysics, en webbplats som produceras av Georgia State University. Många apparater använder skruvar för att utöva en kraft som är mycket större än den kraft som används för att vrida skruven. Till dessa anordningar hör bänkskruvstycken och hjulmuttrar på bilhjul. De får en mekanisk fördel inte bara av själva skruven utan också, i många fall, av hävstångseffekten av ett långt handtag som används för att vrida skruven.
Wedge
Enligt New Mexico Institute of Mining and Technology är ”Wedges rörliga lutande plan som körs in under en last för att lyfta den eller in i en last för att dela eller separera den”. En längre, tunnare kil ger större mekanisk fördel än en kortare, bredare kil, men en kil gör något annat: En kils huvudfunktion är att ändra riktningen på den ingående kraften. Om vi till exempel vill klyva en stock kan vi driva en kil nedåt i stockens ände med stor kraft med hjälp av en slägga, och kilen kommer att omdirigera denna kraft utåt, vilket får träet att klyvas. Ett annat exempel är ett dörrstopp, där kraften som används för att trycka in det under dörrkanten överförs nedåt, vilket resulterar i en friktionskraft som gör att det inte glider över golvet.
Tillkommande rapportering av Charles Q. Choi, bidragsgivare till Live Science
Tillkommande resurser
- John H. Lienhard, professor emeritus i maskinteknik och historia vid University of Houston, tar ”en annan titt på hjulets uppfinning”.”
- Center of Science and Industry i Columbus, Ohio, har en interaktiv förklaring av enkla maskiner.
- HyperPhysics, en webbplats som produceras av Georgia State University, har illustrerade förklaringar av de sex enkla maskinerna.
Finn några roliga aktiviteter som involverar enkla maskiner på Museum of Science and Industry i Chicago.