Σε όλη την ιστορία, οι άνθρωποι έχουν αναπτύξει αρκετές συσκευές για να διευκολύνουν την εργασία. Τα πιο αξιοσημείωτα από αυτά είναι τα "έξι απλά μηχανήματα": ο τροχός και ο άξονας, ο μοχλός, το κεκλιμένο επίπεδο, η τροχαλία, η βίδα και η σφήνα, αν και οι τελευταίοι τρεις είναι στην πραγματικότητα απλά επεκτάσεις ή συνδυασμοί του πρώτου τρία.
Επειδή η εργασία ορίζεται ως η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο προς την κατεύθυνση της κίνησης, μια μηχανή διευκολύνει την εργασία με την εκτέλεση μιας ή περισσότερων από τις ακόλουθες λειτουργίες, σύμφωνα με τον Jefferson Lab:
- μεταφέροντας μια δύναμη από το ένα μέρος στο άλλο,
- αλλάζοντας την κατεύθυνση μιας δύναμης,
- - αύξηση του μεγέθους μιας δύναμης, ή
- αυξάνοντας την απόσταση ή την ταχύτητα μιας δύναμης.
Τα απλά μηχανήματα είναι συσκευές που δεν έχουν, ή πολύ λίγα, κινούμενα μέρη που διευκολύνουν την εργασία. Πολλά από τα σύνθετα εργαλεία σήμερα είναι απλά συνδυασμοί ή πιο περίπλοκες μορφές των έξι απλών μηχανών, σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να συνδέσουμε μια μακριά λαβή σε έναν άξονα για να φτιάξουμε ένα αλεξίπτωτο, ή να χρησιμοποιήσουμε ένα μπλοκ και να το κάνουμε για να τραβήξουμε ένα φορτίο σε μια ράμπα. Ενώ αυτά τα μηχανήματα μπορεί να φαίνονται απλά, συνεχίζουν να μας παρέχουν τα μέσα για να κάνουμε πολλά πράγματα που δεν θα μπορούσαμε ποτέ να τα κάνουμε χωρίς αυτά.
Τροχός και άξονας
Ο τροχός θεωρείται μια από τις σημαντικότερες εφευρέσεις στην ιστορία του κόσμου. "Πριν από την εφεύρεση του τροχού το 3500 π.Χ., οι άνθρωποι ήταν πολύ περιορισμένοι σε πόσα πράγματα θα μπορούσαμε να μεταφέρουμε πάνω από τη γη και πόσο μακριά», έγραψε η Natalie Wolchover στο άρθρο της Live Science «Top 10 εφευρέσεις που άλλαξαν τον κόσμο». "Τα τροχοφόρα καροτσάκια διευκόλυναν τη γεωργία και το εμπόριο επιτρέποντας τη μεταφορά αγαθών προς και από τις αγορές, καθώς και διευκολύνοντας τις επιβαρύνσεις των ανθρώπων που ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις".
Ο τροχός μειώνει σημαντικά την τριβή που συναντάται όταν ένα αντικείμενο μετακινείται πάνω σε μια επιφάνεια. "Αν βάλετε το ντουλάπι αρχείων σας σε ένα μικρό καλάθι με τροχούς, μπορείτε να μειώσετε σημαντικά τη δύναμη που χρειάζεστε για να μετακινήσετε το ντουλάπι με σταθερή ταχύτητα", σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο του Tennessee.
Στο βιβλίο του "Αρχαία επιστήμη: Προϊστορία-500 μ.Χ." (Gareth Stevens, 2010), ο Charlie Samuels γράφει: "Σε μέρη του κόσμου, βαριά αντικείμενα όπως βράχοι και βάρκες μετακινήθηκαν με κυλίνδρους. είχαν ληφθεί από πίσω και είχαν αντικατασταθεί μπροστά. " Αυτό ήταν το πρώτο βήμα στην ανάπτυξη του τροχού.
Η μεγάλη καινοτομία, όμως, ήταν η τοποθέτηση ενός τροχού σε έναν άξονα. Ο τροχός θα μπορούσε να συνδεθεί με έναν άξονα που στηρίχθηκε από ένα έδρανο ή θα μπορούσε να γυρίσει ελεύθερα γύρω από τον άξονα. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη καροτσιών, βαγονιών και αμαξών. Σύμφωνα με τον Samuels, οι αρχαιολόγοι χρησιμοποιούν την ανάπτυξη ενός τροχού που περιστρέφεται σε έναν άξονα ως δείκτη ενός σχετικά προηγμένου πολιτισμού. Τα πρώτα στοιχεία των τροχών στους άξονες είναι από περίπου 3200 B.C. από τους Σουμέριους. Οι Κινέζοι εφευρέθηκαν ανεξάρτητα τον τροχό στο 2800 π.Χ.
Πολλαπλασιαστές δύναμης
Εκτός από τη μείωση της τριβής, ένας τροχός και ένας άξονας μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως πολλαπλασιαστής δύναμης, σύμφωνα με το Science Quest της Wiley. Αν ένας τροχός είναι τοποθετημένος σε έναν άξονα και μια δύναμη χρησιμοποιείται για την περιστροφή του τροχού, η δύναμη περιστροφής ή η ροπή στρέψης στον άξονα είναι πολύ μεγαλύτερη από τη δύναμη που ασκείται στο χείλος του τροχού. Εναλλακτικά, μια μεγάλη λαβή μπορεί να συνδεθεί στον άξονα για να επιτευχθεί ένα παρόμοιο αποτέλεσμα.
Τα άλλα πέντε μηχανήματα βοηθούν τον άνθρωπο να αυξήσει ή / και να ανακατευθύνει τη δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο. Στο βιβλίο τους "Moving Big Things" (Σχετικά με το χρόνο, 2009), η Janet L. Kolodner και οι συν-συγγραφείς της γράφουν: "Οι μηχανές παρέχουν μηχανικό πλεονέκτημα για να βοηθήσουν στη μετακίνηση αντικειμένων. " Στην επόμενη συζήτηση των απλών μηχανών που αυξάνουν τη δύναμη που εφαρμόζεται στις εισόδους τους, θα παραμελήσουμε τη δύναμη της τριβής, διότι στις περισσότερες από αυτές τις περιπτώσεις, η δύναμη τριβής είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τις δυνάμεις εισόδου και εξόδου.
Όταν μια δύναμη εφαρμόζεται σε μια απόσταση, παράγει εργασία. Μαθηματικά, αυτό εκφράζεται ως W = F × D. Για παράδειγμα, για να ανυψώσουμε ένα αντικείμενο, πρέπει να κάνουμε δουλειά για να ξεπεράσουμε τη δύναμη λόγω της βαρύτητας και να μετακινήσουμε το αντικείμενο προς τα πάνω. Για να ανυψώσετε ένα αντικείμενο που είναι δύο φορές τόσο βαρύ, χρειάζεται δύο φορές περισσότερη εργασία για να τον σηκώσετε στην ίδια απόσταση. Χρειάζεται επίσης διπλάσια εργασία για την ανύψωση του ίδιου αντικειμένου δύο φορές μέχρι τώρα. Όπως υποδεικνύεται από τα μαθηματικά, το κύριο όφελος των μηχανών είναι ότι μας επιτρέπουν να κάνουμε την ίδια εργασία με την εφαρμογή μικρότερης δύναμης σε μεγαλύτερη απόσταση.
Μοχλός
"Δώσε μου ένα μοχλό και μια θέση για να σταθείς, και θα μετακομίσω τον κόσμο." Αυτός ο επαίσχυντος ισχυρισμός αποδίδεται στον Έλληνα φιλόσοφο, μαθηματικό και εφευρέτη Αρχιμήδη του τρίτου αιώνα. Αν και μπορεί να είναι λίγο υπερβολή, εκφράζει τη δύναμη της μόχλευσης, η οποία, τουλάχιστον με το σχήμα, κινεί τον κόσμο.
Η ιδιοφυΐα του Αρχιμήδη έπρεπε να συνειδητοποιήσει ότι για να πετύχεις το ίδιο ποσό ή δουλειά, θα μπορούσε κανείς να κάνει μια ανταλλαγή μεταξύ δύναμης και απόστασης χρησιμοποιώντας ένα μοχλό. Ο νόμος του μοχλού αναφέρει: "Τα μεγέθη βρίσκονται σε ισορροπία σε αποστάσεις αμοιβαία ανάλογες με το βάρος τους", σύμφωνα με τον "Αρχιμήδη στον 21ο αιώνα", ένα εικονικό βιβλίο του Chris Rorres στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.
Ο μοχλός αποτελείται από μια μακριά δέσμη και ένα υπομόχλιο, ή άξονα. Το μηχανικό πλεονέκτημα του μοχλού εξαρτάται από την αναλογία των μηκών της δέσμης σε κάθε πλευρά του υπομοχλίου.
Για παράδειγμα, ας πούμε ότι θέλουμε να ανυψώσουμε ένα 100-λίβρες. (45 κιλά) βάρους 2 πόδια (61 εκατοστά) από το έδαφος. Μπορούμε να ασκήσουμε 100 λίβρες. της δύναμης για το βάρος προς τα πάνω για απόσταση 2 ποδιών, και έχουμε κάνει 200 λιβρών-ποδιών (271 Newton-μέτρα) εργασίας. Ωστόσο, αν χρησιμοποιούσαμε ένα μοχλό 30 μέτρων με το ένα άκρο κάτω από το βάρος και ένα υποπολυβόλο 30,5 εκατοστών τοποθετημένο κάτω από τη δέσμη 10 μέτρα (3 μέτρα) από το βάρος, θα είχαμε μόνο για να σπρώξετε το άλλο άκρο με 50 λίβρες. (23 kg) δύναμης για την ανύψωση του βάρους. Ωστόσο, θα έπρεπε να σπρώξουμε το τέλος του μοχλού κάτω από 4 πόδια (1,2 μ.) Για να ανυψώσουμε το βάρος κατά 2 πόδια. Έχουμε κάνει ένα συμβιβασμό στο οποίο διπλασιάσαμε την απόσταση που έπρεπε να μετακινήσουμε το μοχλό, αλλά μειώσαμε την απαιτούμενη δύναμη κατά το ήμισυ για να κάνουμε το ίδιο ποσό εργασίας.
Το κεκλιμένο επίπεδο
Το κεκλιμένο επίπεδο είναι απλά μια επίπεδη επιφάνεια που ανεβαίνει σε γωνία, σαν ράμπα. Σύμφωνα με τον Bob Williams, καθηγητή στο τμήμα μηχανολογίας στο Russ College of Engineering and Technology στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, ένα κεκλιμένο αεροπλάνο είναι ένας τρόπος ανύψωσης ενός φορτίου που θα ήταν πολύ βαρύ για να σηκωθεί κατ 'ευθείαν. Η γωνία (η απότομη κλίση του κεκλιμένου επιπέδου) καθορίζει πόση προσπάθεια απαιτείται για την αύξηση του βάρους. Όσο πιο απότομη είναι η ράμπα, τόσο μεγαλύτερη προσπάθεια απαιτείται. Αυτό σημαίνει ότι αν σηκώσουμε τα 100 λίβρες μας. βάρους 2 ποδιών με κύλιση μέχρι μια ράμπα 4 ποδιών, μειώνουμε την απαιτούμενη δύναμη κατά το ήμισυ ενώ διπλασιάζουμε την απόσταση που πρέπει να μετακινηθεί. Αν χρησιμοποιούσαμε ράμπα μήκους 8 μέτρων, θα μπορούσαμε να μειώσουμε την απαιτούμενη δύναμη σε μόλις 25 λίβρες. (11,3kg).
Τροχαλία
Αν θέλουμε να σηκώσουμε τα ίδια 100-λίβρες. βάρος με ένα σχοινί, θα μπορούσαμε να συνδέσουμε μια τροχαλία σε μια δοκό πάνω από το βάρος. Αυτό θα μας άφηνε να τραβήξει κάτω αντί για επάνω στο σχοινί, αλλά εξακολουθεί να απαιτεί £ 100. της δύναμης. Ωστόσο, εάν χρησιμοποιούσαμε δύο τροχαλίες - ένα συνδεδεμένο με την υπερυψωμένη δοκό και το άλλο συνδεδεμένο με το βάρος - και έπρεπε να συνδέσουμε το ένα άκρο του σχοινιού στη δοκό, να το τρέξουμε μέσω της τροχαλίας στο βάρος και έπειτα η τροχαλία στη δοκό, θα έπρεπε μόνο να τραβήξουμε το σχοινί με 50 λίβρες. της δύναμης για την ανύψωση του βάρους, αν και θα έπρεπε να τραβήξουμε το σχοινί 4 πόδια για να σηκώσουμε το βάρος 2 πόδια. Και πάλι, έχουμε διαπραγματευτεί αυξημένη απόσταση για μειωμένη δύναμη.
Εάν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε ακόμα λιγότερη δύναμη σε ακόμη μεγαλύτερη απόσταση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα μπλοκ και να αντιμετωπίσουμε. Σύμφωνα με τα υλικά μαθήματα του Πανεπιστημίου της Νότιας Καρολίνας, "Ένα μπλοκ και το tackle είναι ένας συνδυασμός τροχαλιών που μειώνει το μέγεθος της δύναμης που απαιτείται για να ανυψώσει κάτι. Το συμβιβασμό είναι ότι ένα μακρύτερο μήκος σχοινιού απαιτείται για ένα μπλοκ και την αντιμετώπιση για να μετακινήσετε κάτι στην ίδια απόσταση. "
Όσο πιο απλές είναι οι τροχαλίες, εξακολουθούν να βρίσκουν χρήση στις πιο προηγμένες νέες μηχανές. Για παράδειγμα, το Hangprinter, ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής που μπορεί να κατασκευάσει αντικείμενα μεγέθους επίπλων, χρησιμοποιεί ένα σύστημα καλωδίων και τροχαλίες ελεγχόμενων από υπολογιστή, αγκυρωμένους στους τοίχους, το δάπεδο και την οροφή.
Βίδα
"Μια βίδα είναι ουσιαστικά ένα μακρύ επίπεδο κλίσης τυλιγμένο γύρω από έναν άξονα, έτσι ώστε το μηχανικό του πλεονέκτημα μπορεί να προσεγγιστεί με τον ίδιο τρόπο όπως η κλίση", σύμφωνα με την HyperPhysics, μια ιστοσελίδα που παράγεται από το Georgia State University. Πολλές συσκευές χρησιμοποιούν βίδες για να ασκήσουν μια δύναμη που είναι πολύ μεγαλύτερη από τη δύναμη που χρησιμοποιείται για την περιστροφή της βίδας. Αυτές οι συσκευές περιλαμβάνουν παξιμάδια πάγκων και παξιμάδια στις λαβές των αυτοκινήτων. Αποκτούν ένα μηχανικό πλεονέκτημα όχι μόνο από την ίδια την βίδα αλλά επίσης, σε πολλές περιπτώσεις, από τη μόχλευση μιας μακράς λαβής που χρησιμοποιείται για την περιστροφή της βίδας.
Σφήνα
Σύμφωνα με το Ινστιτούτο Μεταλλείων και Τεχνολογίας του Νέου Μεξικού, "Οι σφήνες κινούν κεκλιμένα αεροπλάνα που κινούνται κάτω από φορτία για ανύψωση ή σε φορτίο για να χωριστούν ή να διαχωριστούν". Μια μακρύτερη, λεπτότερη σφήνα δίνει περισσότερο μηχανικό πλεονέκτημα από μια μικρότερη, ευρύτερη σφήνα, αλλά μια σφήνα κάνει κάτι άλλο: Η κύρια λειτουργία μιας σφήνας είναι η αλλαγή της κατεύθυνσης της δύναμης εισόδου. Για παράδειγμα, εάν θέλουμε να χωρίσουμε ένα ημερολόγιο, μπορούμε να οδηγήσουμε μια σφήνα προς τα κάτω στο τέλος του ημερολογίου με μεγάλη δύναμη χρησιμοποιώντας μια βαρούλκο, και η σφήνα θα ανακατευθύνει αυτή τη δύναμη προς τα έξω, προκαλώντας τη διάσπαση του ξύλου. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η πόρτα όπου η δύναμη που χρησιμοποιείται για την ώθηση κάτω από την άκρη της πόρτας μεταφέρεται προς τα κάτω, με αποτέλεσμα τη δύναμη τριβής που αντιστέκεται στην ολίσθηση στο πάτωμα.
Βρείτε ορισμένες δραστηριότητες διασκέδασης που περιλαμβάνουν απλές μηχανές στο Μουσείο Επιστημών και Βιομηχανίας στο Σικάγο.
