Kroz povijest ljudi su razvili nekoliko uređaja kako bi olakšali posao. Najistaknutiji od njih poznati su pod nazivom "šest jednostavnih strojeva": kotač i osovina, poluga, nagnuta ravnina, remenica, vijak i klin, iako su posljednja tri zapravo samo produžeci ili kombinacije prvog tri.
Budući da je rad definiran kao sila koja djeluje na objekt u smjeru gibanja, stroj čini posao lakšim za obavljanje jedne ili više sljedećih funkcija, prema Jefferson Lab:
- prenošenje sile s jednog mjesta na drugo,
- promjena smjera sile,
- povećavanje veličine sile ili
- povećavajući udaljenost ili brzinu sile.
Jednostavni strojevi su uređaji s nepokretnim ili vrlo malo pokretnim dijelovima koji olakšavaju rad. Mnogi današnji složeni alati samo su kombinacije ili složeniji oblici šest jednostavnih strojeva, prema Sveučilištu Colorado u Boulderu. Na primjer, možemo priložiti dugu ručku na osovinu kako bismo napravili vjetrobransko staklo ili pomoću bloka i kvake povući teret do rampe. Iako se ovi strojevi mogu činiti jednostavnima, oni nam i dalje pružaju sredstva za mnoge stvari koje bez njih nikad ne bismo mogli učiniti.
Kotač i osovina
Kotač se smatra jednim od najznačajnijih izuma u povijesti svijeta. "Prije izuma kotača u 3500. god. Prije Krista, ljudi su bili ozbiljno ograničeni u tome koliko stvari možemo prevesti preko kopna i koliko daleko", napisala je Natalie Wolchover u članku Live Science "Top 10 izuma koji su promijenili svijet." "Kolica na kotačima olakšala su poljoprivredu i trgovinu omogućavanjem prijevoza robe do i od tržišta, kao i olakšavanjem tereta ljudima koji putuju na velike udaljenosti."
Kotač uvelike smanjuje trenje koje se javlja kad se predmet pomiče po površini. "Ako svoj dosje postavite u malu košaricu s kotačima, možete znatno smanjiti silu koju trebate primijeniti za pomicanje ormarića stalnom brzinom", prema Sveučilištu u Tennesseeju.
U svojoj knjizi "Drevna znanost: prapovijest-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels piše: "U dijelovima svijeta teški predmeti poput stijena i čamaca pomicali su se pomoću valjka za trupanje. Kako se objekt kretao naprijed, valjci su se kretali prema naprijed uzete su s leđa i zamijenjene sprijeda. " To je bio prvi korak u razvoju kotača.
Velika inovacija, međutim, bila je u postavljanju kotača na osovinu. Kotač je mogao biti pričvršćen na osovinu koju je podupirao ležaj, ili se mogao slobodno okretati oko osovine. To je dovelo do razvoja kolica, vagona i kola. Prema Samuelsu, arheolozi koriste razvoj kotača koji se okreće na osovini kao pokazatelj relativno napredne civilizacije. Najraniji dokazi o točkovima na osovinama su iz oko 3200 B.C. od strane Sumerana. Kinezi su samostalno izumili kotač u 2800 B.C.
Množitelji sile
Osim smanjenja trenja, kotač i osovina mogu služiti i kao multiplikator sile, prema Science Quest iz Wiley-a. Ako je kotač pričvršćen na osovinu, a za okretanje kotača koristi se sila, rotaciona sila ili zakretni moment na osovini mnogo je veća od sile koja se primjenjuje na obodu kotača. Alternativno, dugačka ručka može se pričvrstiti na osovinu kako bi se postigao sličan učinak.
Ostalih pet strojeva pomažu ljudima u povećanju i / ili preusmjeravanju sile koja se primjenjuje na objekt. U svojoj knjizi "Pomicanje velikih stvari" (Vrijeme je za 2009.), Janet L. Kolodner i njezini koautori pišu: "Strojevi pružaju mehaničku prednost kao pomoć pri pomicanju predmeta. Mehanička prednost je pomicanje sile i udaljenosti. " U sljedećoj raspravi o jednostavnim strojevima koji povećavaju silu primijenjenu na njihov ulaz, zanemarit ćemo silu trenja, jer je u većini tih slučajeva sila trenja vrlo mala u usporedbi s uključenim ulaznim i izlaznim silama.
Kada se sila primjenjuje na daljinu, ona proizvodi rad. Matematički se to izražava kao W = F × D. Na primjer, da bismo podigli predmet, moramo raditi na svladavanju sile zbog gravitacije i pomicanja predmeta prema gore. Da biste podigli predmet koji je dvostruko težak, potrebno je dvostruko više rada da ga podignete na istu udaljenost. Također je potrebno dvostruko više rada da se isti predmet podigne dvostruko više. Kao što matematika ukazuje, glavna je korist strojeva ta što nam omogućuju obavljanje iste količine rada, primjenjujući manju silu na većoj udaljenosti.
Poluga
"Dajte mi polugu i mjesto da stojim, a ja ću premjestiti svijet." Ova se bahata tvrdnja pripisuje grčkom filozofu iz trećeg stoljeća, matematičaru i izumitelju Arhimedu. Iako je možda malo pretjerivanje, ipak izražava snagu utjecaja koja, makar figurativno rečeno, kreće svijetom.
Genije Arhimeda shvatio je da se za postizanje iste količine ili rada može izvršiti pomak između sile i udaljenosti pomoću poluge. Njegov zakon o poluzi kaže, "Magnitude su u ravnoteži na udaljenostima koje su proporcionalne njihovim težinama", prema "Arhimedu u 21. stoljeću", virtualnoj knjizi Chrisa Rorresa s njujorškog sveučilišta.
Poluga se sastoji od dugog snopa i osovine, odnosno osovine. Mehanička prednost poluge ovisi o omjeru duljina snopa s obje strane uporišta.
Na primjer, recimo da želimo podići 100 lb. (45 kilograma) težina 61 stopa s tla. Možemo naporiti 100 lbs. sile na težini u smjeru prema gore za udaljenost od dva metra, a napravili smo 200 kilograma noge (271 metar Newton). Međutim, kada bismo koristili ručicu od 9 stopa (9 m) s jednim krajem ispod težine i debljinom od 1 stopa (30,5 cm) postavljenom ispod grede 10 stopa od mase, imali bismo samo gurnuti prema dolje na drugom kraju sa 50 funti. (23 kg) sile za dizanje tegova. Međutim, morali bismo gurnuti kraj poluge na 4 metra (1,2 m) kako bismo podigli težinu 2 noge. Napravili smo kompromis u kojem smo udvostručili udaljenost koju smo morali pomicati polugom, ali smanjili smo potrebnu silu za pola da bismo obavili istu količinu posla.
Nagnuta ravnina
Nagnuta ravnina jednostavno je ravna površina podignuta pod kutom, poput rampe. Prema Bob Williamsu, profesoru na odsjeku strojarstva na Russ College of Engineering and Technology na Sveučilištu Ohio, nagnuta ravnina način je podizanja tereta koji bi bio pretežak da se podigne ravno. Kut (strmina nagnute ravnine) određuje koliko je napora potrebno za podizanje težine. Što je strma rampa, to je potrebno više napora. To znači da ako podignemo svojih 100 funti. težine 2 noge kotajući ga rampom od 4 metra, smanjujemo potrebnu silu za pola, udvostručujući udaljenost koju mora prijeći. Ako bismo koristili rampu od 2,4 metra (8 m), mogli bismo smanjiti potrebnu silu na samo 25 lbs. (11,3 kg).
Kotur
Ako želimo podići tih 100 litara. težina konopom, mogli bismo pričvrstiti remenicu na gredu iznad težine. To bi nas dovuklo umjesto na konopu, ali i dalje treba 100 funti. od sile. Međutim, ako bismo koristili dva remenica - jedan pričvršćen na zračnu gredu, a drugi pričvršćen na težinu - i jedan kraj užadi pričvrstiti na gredu, provući ga kroz remenicu na težini, a zatim kroz remenicu na gredu, morali bismo povući samo konop za 50 funti. na silu da podignemo težinu, iako bismo morali povući konop 4 noge da bismo podigli težinu 2 noge. Opet, trgovali smo povećanom udaljenošću za smanjenu silu.
Ako želimo upotrijebiti još manje sile na još većoj udaljenosti, možemo upotrijebiti blok i pribor. Prema materijalima s tečaja sa Sveučilišta u Južnoj Karolini, "Blokada i spona su kombinacija remenica koja smanjuje količinu sile koja je potrebna da se nešto podigne. Kompromis je to što je za blok i hvatanje potreban duži konop. pomaknuti nešto iste udaljenosti. "
Jednostavni koliko su remenice, oni i dalje pronalaze uporabu u najnaprednijim novim strojevima. Na primjer, Hangprinter, 3D printer koji može graditi predmete veličine namještaja, koristi sustav žica i računalno upravljanih remenica pričvršćenih na zidove, pod i strop.
Vijak
"Vijak je u osnovi ravnina dugog nagiba omotana oko osovine, tako da se njegovoj mehaničkoj prednosti može pristupiti na isti način kao i nagib", prema HyperPhysics, web stranici koju je izradilo Sveučilište Georgia. Mnogi uređaji koriste vijke kako bi izvršili silu koja je puno veća od sile koja se koristi za okretanje vijka. Ovi uređaji uključuju poroke i noževe na automobilskim kotačima. Dobijaju mehaničku prednost ne samo od samog vijka već i u mnogim slučajevima pomoću poluge duge ručke koja se koristi za okretanje vijka.
Klin
Prema New Mexico Institute of Rudarstvo i Tehnologija, "Klinovi se kreću nagnutim avionima koji se pod teretom pokreću za podizanje ili u teret da bi se podijelili ili odvojili." Duži, tanji klin daje više mehaničke prednosti nego kraći, širi klin, ali klin čini nešto drugo: Glavna funkcija klina je promjena smjera ulazne sile. Na primjer, ako želimo podijeliti trupce, možemo klinom udariti klin dolje na kraj trupa s velikom silom, a klin će tu silu preusmjeriti prema van, uzrokujući cijepanje drva. Drugi primjer je zaustavljanje vrata, pri čemu se sila koja se koristi za njegovo guranje ispod ruba vrata prenosi prema dolje, što rezultira sile trenja koja odolijeva klizanju po podu.
Pronađite zabavne aktivnosti koje uključuju jednostavne strojeve u Muzeju znanosti i industrije u Chicagu.
