Ihmiset ovat koko historian ajan kehittäneet useita laitteita työn helpottamiseksi. Merkittävin näistä tunnetaan nimellä "kuusi yksinkertaista konetta": pyörä ja akseli, vipu, kalteva taso, hihnapyörä, ruuvi ja kiila, vaikka nämä kolme viimeksi mainittua ovatkin vain ensimmäisen jatkeita tai yhdistelmiä. kolme.
Koska työ on määritelty objektiin kohdistuvaksi voimeksi liikesuunnassa, kone helpottaa työn suorittamista suorittamalla yksi tai useampi seuraavista toiminnoista Jefferson Labin mukaan:
- voiman siirtäminen paikasta toiseen,
- voiman suunnan muuttaminen,
- - voiman suuruuden kasvattaminen, tai
- lisäämällä voiman etäisyyttä tai nopeutta.
Yksinkertaiset koneet ovat laitteita, joissa ei ole liikkuvia osia tai joita on hyvin vähän, mikä helpottaa työskentelyä. Boulderin Coloradon yliopiston mukaan monet nykypäivän monimutkaisista työkaluista ovat vain kuuden yksinkertaisen koneen yhdistelmiä tai monimutkaisempia muotoja. Voimme esimerkiksi kiinnittää pitkän kahvan akseliin telineen valmistamiseksi tai käyttää lohkoa ja tavaraa vetoaksesi taakkaa ramppiin. Vaikka nämä koneet saattavat tuntua yksinkertaisilta, ne tarjoavat meille edelleen keinot tehdä monia asioita, joita emme koskaan voisi tehdä ilman niitä.
Rengas ja akseli
Pyörää pidetään yhtenä maailman historian merkittävimmistä keksinnöistä. "Ennen pyörän keksimistä vuonna 3500 B.C., ihmisillä oli ankarasti rajoitettu, kuinka paljon tavaraa voimme kuljettaa maan yli ja kuinka pitkälle", kirjoitti Natalie Wolchover Live Science -artikkelissa "Kymmenen keksintöä, jotka muuttivat maailmaa". "Pyörävaunut helpottivat maataloutta ja kauppaa mahdollistamalla tavaroiden kuljettamisen markkinoille ja markkinoilta sekä helpottamalla pitkien matkojen matkustajien rasitusta."
Pyörä vähentää huomattavasti kitkaa, joka tapahtuu, kun esine siirretään pinnan yli. "Jos laitat arkistokaapin pienelle pyöräkärrylle, voit vähentää huomattavasti voimaa, jota tarvitset liikuttaaksesi kaapia vakionopeudella", toteaa Tennessee-yliopisto.
Charlie Samuels kirjoittaa kirjassaan "Muinainen tiede: esihistoria-AD 500" (Gareth Stevens, 2010): "Maailman osissa raskaita esineitä, kuten kiviä ja veneitä, siirrettiin tukirullilla. Kohteen siirtyessä eteenpäin, rullat otettiin takaa ja korvattiin edessä. " Tämä oli ensimmäinen askel pyörän kehittämisessä.
Suuri innovaatio oli kuitenkin pyörän asentaminen akselille. Pyörä voitiin kiinnittää akseliin, jota tuki laakeri, tai se voitiin saada pyörimään vapaasti akselin ympäri. Tämä johti kärryjen, vaunujen ja vaunujen kehittämiseen. Samuelsin mukaan arkeologit käyttävät akselilla pyörivän pyörän kehitystä osoituksena suhteellisen edistyneestä sivilisaatiosta. Varhaisin todiste akselien pyöristä on noin 3200 B.C. sumerien esittämä. Kiinalainen keksi pyörän itsenäisesti vuonna 2800 B.C.
Pakota kertoimet
Kitkan vähentämisen lisäksi pyörä ja akseli voivat toimia myös voiman kertoimena, Wileyn Science Questin mukaan. Jos pyörä on kiinnitetty akseliin ja pyörän kääntämiseen käytetään voimaa, akselin pyörimisvoima tai vääntömomentti on paljon suurempi kuin pyörän kehään kohdistuva voima. Vaihtoehtoisesti akseliin voidaan kiinnittää pitkä kahva samanlaisen vaikutuksen saavuttamiseksi.
Kaikki muut viisi konetta auttavat ihmisiä lisäämään ja / tai ohjaamaan kohteelle kohdistettua voimaa. Janet L. Kolodner ja hänen avustajansa kirjoittavat kirjassaan "Moving Big Things" (Aika on aika, 2009) "Koneet tarjoavat mekaanisen edun liikkuvien esineiden avustamisessa. Mekaaninen etu on voiman ja etäisyyden välinen kompromissi. " Seuraavassa keskustelussa yksinkertaisista koneista, jotka lisäävät niiden syöttöön kohdistuvaa voimaa, unohdamme kitkavoiman, koska useimmissa näissä tapauksissa kitkavoima on hyvin pieni verrattuna mukana oleviin tulo- ja lähtövoimiin.
Kun voima kohdistetaan etäisyydelle, se tuottaa työtä. Matemaattisesti tämä ilmaistaan muodossa W = F × D. Esimerkiksi esineen nostamiseksi meidän on tehtävä työtä voittaa rasituksen aiheuttama voima ja siirtää esinettä ylöspäin. Kaksi kertaa raskaamman esineen nostamiseen tarvitaan saman etäisyyden nostamiseksi kaksinkertainen työ. Saman esineen nostaminen kahdesti niin pitkälle kestää myös kaksinkertaisesti. Kuten matematiikka osoittaa, koneiden tärkein etu on, että ne antavat meille mahdollisuuden tehdä saman määrän työtä soveltamalla pienempi määrä voimaa suuremmalle etäisyydelle.
Vipu
"Anna minulle vipu ja paikka seistä, niin minä liikuttelen maailmaa." Tämä ylpeä väite johtuu kolmannen vuosisadan kreikkalaisesta filosofista, matemaatikosta ja keksijä Archimedesista. Vaikka se voi olla hiukan liioittelua, se ilmaisee vipuvaikutuksen voiman, joka ainakin kuvitteellisesti siirtää maailmaa.
Archimedesin nero oli ymmärtää, että saman määrän tai työn suorittamiseksi voitaisiin tehdä kompromissi voiman ja etäisyyden välillä vivulla. Hänen vipulakissaan todetaan, että "Magnitudit ovat tasapainossa etäisyyksillä, jotka ovat keskenään verrannollisia painoihinsa", "Archimedes 2000-luvulla", Chris Rorresin virtuaalikirja New Yorkin yliopistosta.
Vipu koostuu pitkästä palkista ja tukipisteestä tai kääntyvästä. Vivun mekaaninen etu riippuu palkin pituuksien suhteesta tukipinnan kummallakin puolella.
Oletetaan esimerkiksi, että haluamme nostaa 100 paunaa. (45 kilogramman) paino 2 jalkaa (61 senttimetriä) maasta. Voimme käyttää 100 kiloa. painoon kohdistuva voima ylöspäin 2 jalan etäisyydellä, ja olemme tehneet 200 punnan jalat (271 Newton-metriä) työtä. Kuitenkin, jos käyttäisimme 30 jalkaa (9 m) vipua, jonka toinen pää on painon alla, ja 1 jalkan (30,5 cm) tukipalkki, joka on sijoitettu palkin alle 10 jalkaa (3 m) painosta, meillä olisi vain työntääksesi toisen pään alas 50 kilolla. (23 kg) voimaa painon nostamiseksi. Meidän on kuitenkin työnnettävä vivun pää alas 1,2 metriä 4 jalkaa nostaaksesi painoa 2 jalkaa. Olemme tehneet vaihtokaupan, jossa kaksinkertaistimme vivun siirtämisen etäisyyden, mutta vähensimme tarvittavaa voimaa puoleen saadaksemme saman määrän työtä.
Kalteva taso
Kalteva taso on yksinkertaisesti tasainen pinta, joka on nostettu kulmaan, kuten luiska. Ohion yliopiston Russin teknillisen korkeakoulun konetekniikan laitoksen professori Bob Williamsin mukaan kalteva kone on tapa nostaa taakkaa, joka olisi liian raskas nostamaan suoraan ylöspäin. Kulma (kaltevan tason jyrkkyys) määrää kuinka paljon vaivaa tarvitaan painon nostamiseksi. Mitä jyrkempi ramppi, sitä enemmän työtä tarvitaan. Tämä tarkoittaa, että jos nostamme 100 paunaa. Paino 2 metriä kääntämällä sitä ylös 4-jalkaiseen ramppiin, vähennämme tarvittavaa voimaa puoleen ja kaksinkertaistamme etäisyyden, jota se on siirrettävä. Jos käyttäisimme 8 metrin (2,4 m) luiskaa, voisimme vähentää tarvittavaa voimaa vain 25 kiloon. (11,3 kg).
Talja
Jos haluamme nostaa saman 100-naulaisen. Paino köydellä, voimme kiinnittää hihnapyörän palkkiin painon yläpuolella. Tämä antaisi meidän vetää alas köyden ylöspäin, mutta se vaatii silti 100 kiloa. voiman. Jos kuitenkin käytettäisiin kahta hihnapyörää - yksi kiinnitetty yläpalkkiin ja toinen kiinnitetty painoon - ja kiinnittäisimme köyden toisen pään palkkiin, ajoimme sen painohihnapyörän läpi ja sitten läpi Palkissa olevan hihnapyörän, joudumme vetämään vain köyden 50 kilolla. voimaa nostaa painoa, vaikka jouduimme vetämään köyttä 4 jalkaa nostaaksesi painoa 2 jalkaa. Jälleen kerran olemme vaihtaneet lisääntynyttä etäisyyttä vähentyneen voiman vuoksi.
Jos haluamme käyttää vielä vähemmän voimaa vielä suuremmalla etäisyydellä, voimme käyttää lohkoa ja puuttua. Etelä-Carolinan yliopiston kurssimateriaalien mukaan "Lohko ja taite on yhdistelmä hihnapyöriä, joka vähentää voiman määrää, jota tarvitaan jotain nostamaan. Kompromissi on, että lohkolle ja puutteelle tarvitaan pidempi köyden pituus. siirtää jotain samalla etäisyydellä. "
Niin yksinkertaisia kuin hihnapyörät, ne löytävät edelleen käyttöä edistyneimmissä uusissa koneissa. Esimerkiksi Hangprinter, 3D-tulostin, joka pystyy rakentamaan huonekalukokoisia esineitä, käyttää johtimien ja tietokoneohjattujen hihnapyörien järjestelmää, joka on kiinnitetty seiniin, lattiaan ja kattoon.
Ruuvi
"Ruuvi on olennaisesti pitkä akselin ympärille kääritty kaltevuustaso, joten sen mekaaniseen etuun voidaan päästä samalla tavalla kuin kaltevuuteen", sanoo HyperPhysics, Georgian osavaltion yliopiston tuottama verkkosivusto. Monet laitteet käyttävät ruuveja kohdistaakseen voiman, joka on paljon suurempi kuin ruuvin kääntämiseen käytetty voima. Näihin laitteisiin kuuluvat penkit ja pyöränmutterit. Ne saavat mekaanisen edun paitsi ruuvista myös monissa tapauksissa ruuvin kääntämiseen käytetyn pitkän kahvan vipuvaikutuksesta.
Kiila
New Meksikon kaivos- ja teknologiainstituutin mukaan "kiilat liikuttavat kaltevia lentokoneita, joita ajataan kuormien alaisena nostamaan, tai kuormaan jakamaan tai erottamaan." Pidempi, ohuempi kiila antaa enemmän mekaanista etua kuin lyhyempi, leveämpi kiila, mutta kiila tekee jotain muuta: Kiilan päätehtävänä on muuttaa tulovoiman suuntaa. Esimerkiksi, jos haluamme halkaista puun, voimme ajaa kiilan alaspäin tukin päähän suurella voimalla käyttämällä kelkkahammasta, ja kiila ohjaa tämän voiman ulospäin, aiheuttaen puun halkeamisen. Toinen esimerkki on ovenpinta, jossa sen oven reunan työntämiseen käytetty voima siirretään alaspäin, mikä johtaa kitkavoimaan, joka kestää liukumista lattian poikki.
Löydä hauskoja aktiviteetteja, joihin liittyy yksinkertaisia koneita, Chicagon tiede- ja teollisuusmuseosta.
