Per visą istoriją žmonės sukūrė keletą prietaisų, kurie palengvins darbą. Ryškiausi iš jų yra žinomi kaip „šešios paprastos mašinos“: ratas ir ašis, svirtis, pasvirusi plokštuma, skriemulys, varžtas ir pleištas, nors pastarieji trys iš tikrųjų yra tik pirmojo pratęsimai ar deriniai. trys.
Kadangi darbas yra apibrėžiamas kaip jėga, veikianti objektą judesio kryptimi, mašina palengvina darbą, atlikdama vieną ar daugiau iš šių funkcijų, teigia „Jefferson Lab“:
- jėgos perkėlimas iš vienos vietos į kitą,
- keičia jėgos kryptį,
- didinant jėgos dydį, arba
- didinant jėgos atstumą ar greitį.
Paprastos mašinos yra įrenginiai, kuriuose nėra judančių dalių arba jų yra labai mažai, o tai palengvina darbą. Kolorado universiteto Boulderio duomenimis, daugelis šiuolaikinių įrankių yra tik šešių paprastų mašinų deriniai ar sudėtingesnės formos. Pvz., Mes galime pritvirtinti ilgą rankeną prie veleno, kad padarytume priekinį stiklą, arba naudodami bloką ir sprunkdami patraukti krovinį į rampą. Nors šios mašinos gali atrodyti paprastos, jos ir toliau suteikia mums priemonių padaryti daugybę dalykų, kurių niekada negalėtume padaryti be jų.
Ratų ir ašies
Ratas laikomas vienu reikšmingiausių išradimų pasaulio istorijoje. „Prieš rato išradimą 3500 metais B.C., žmonėms buvo labai apribota, kiek daiktų galime pervežti sausuma ir kiek toli“, - rašė Natalie Wolchover „Live Science“ straipsnyje „10 geriausių išradimų, pakeitusių pasaulį“. "Ratiniai vežimėliai palengvino žemės ūkį ir prekybą, suteikdami galimybę gabenti prekes į rinkas ir iš jų, taip pat palengvindami didelius atstumus keliaujančių žmonių naštą."
Ratas labai sumažina trintį, atsirandančią daiktui perkeliant paviršių. "Jei padėjote savo dokumentų spintelę ant nedidelio krepšio su ratukais, galite žymiai sumažinti jėgą, kurią reikia pritaikyti, kad spintelė judėtų pastoviu greičiu", - teigia Tenesio universitetas.
Charlie Samuels savo knygoje „Antikos mokslas: priešistorė-AD 500“ (Gareth Stevens, 2010) rašo: „Kai kuriose pasaulio vietose sunkūs daiktai, tokie kaip uolos ir valtys, buvo perkeliami rąsto ritinėliais. Objektui judant į priekį, ritinėliai. buvo paimti iš užpakalio ir pakeisti priekyje “. Tai buvo pirmas rato kūrimo žingsnis.
Tačiau puiki naujovė buvo rato tvirtinimas ant ašies. Ratas galėjo būti pritvirtintas prie ašies, kurią palaiko guolis, arba jis galėjo laisvai pasisukti apie ašį. Tai paskatino vežimų, vagonų ir vežimų plėtrą. Pasak Samuelio, archeologai ratą, besisukantį ant ašies, naudoja kaip santykinai išsivysčiusios civilizacijos rodiklį. Ankstyviausi ratų ant ašių įrodymai yra apie 3200 B.C. pateikė šumerai. Kinai savarankiškai išrado ratą 2800 metais B.C.
Jėgos daugikliai
Remiantis „Wiley“ moksliniais tyrimais, ratas ir ašis gali ne tik sumažinti trintį, bet ir būti jėgos daugikliu. Jei prie ašies pritvirtinamas ratas, o ratui pasukti naudojama jėga, ašies sukimosi jėga arba sukimo momentas yra daug didesni nei jėga, taikoma rato kraštui. Kaip alternatyva, prie ašies galima pritvirtinti ilgą rankeną, kad būtų pasiektas panašus efektas.
Visos kitos penkios mašinos padeda žmonėms padidinti ir (arba) nukreipti į objektą nukreiptą jėgą. Janet L. Kolodner ir jos bendraautoriai savo knygoje „Judrūs dideli dalykai“ (Kalbama apie laiką, 2009 m.) Rašo: „Mašinos suteikia mechaninį pranašumą, kad padėtų judantiems objektams. Mechaninis pranašumas yra kompromisas tarp jėgos ir atstumo. " Tolesnėje diskusijoje apie paprastas mašinas, kurios padidina joms įvedamą jėgą, mes nepaisysime trinties jėgos, nes daugeliu atvejų trinties jėga yra labai maža, palyginti su įvesties ir išvesties jėgomis.
Kai jėga veikia per atstumą, ji sukuria darbą. Matematiškai tai išreiškiama kaip W = F × D. Pavyzdžiui, norėdami pakelti objektą, turime atlikti darbą, kad įveiktume jėgą dėl sunkio jėgos ir perkeltume objektą aukštyn. Jei norite pakelti dvigubai sunkesnį daiktą, norint jį pakelti tokiu pačiu atstumu, reikia dvigubai daugiau darbo. Norint pakelti tą patį objektą dvigubai daugiau, taip pat reikia dvigubai daugiau darbo. Kaip nurodoma matematikoje, pagrindinis mašinų pranašumas yra tas, kad jos leidžia mums atlikti tą patį darbą, naudojant didesnį atstumą mažesnę jėgą.
Svirtis
"Duok man svirtį ir vietą stovėti, ir aš pajudinsiu pasaulį". Šis pasigyręs teiginys priskiriamas III amžiaus graikų filosofui, matematikui ir išradėjui Archimedui. Nors tai gali būti šiek tiek perdėta, tačiau išreiškia sverto galią, kuri bent jau perkeltine prasme perkelia pasaulį.
Archimedo genijus turėjo suvokti, kad norint atlikti tą patį kiekį ar darbą, naudodamiesi svirtimi, galite kompensuoti jėgą ir atstumą. Jo svirties įstatyme teigiama, kad „Magnitudiai yra pusiausvyroje atstumais, proporcingais jų svoriui“, - „Archimedo XXI amžiuje“ duomenimis, Chriso Rorreso virtuali knyga Niujorko universitete.
Svirtį sudaro ilgoji sija ir atrama arba šerdesas. Mechaninis svirties pranašumas priklauso nuo sijos ilgio abiejose rutulio pusėse santykio.
Pvz., Tarkime, kad norime pakelti 100 svarų. (45 kilogramų) svoris 2 pėdos (61 centimetras) nuo žemės paviršiaus. Mes galime išleisti 100 svarų. jėgos svoriui į viršų 2 pėdų atstumu, ir mes atlikome 200 svarų pėdų (271 Niutono metro) darbo. Tačiau jei mes naudosime 30 pėdų (9 m) svirtį, kurios vienas galas būtų po svoriu, ir 1 pėdos (30,5 cm) atrama, esanti po sija 10 metrų (3 m) atstumu nuo svorio, mes turėtume tik kad nuspaustumėte kitą galą su 50 svarų. (23 kg) jėgos pakelti svorį. Tačiau, norint pakelti 2 pėdų svorį, svirties galą turėtume nustumti žemyn 4 pėdos (1,2 m). Mes atlikome kompromisą, kurio metu padvigubinome atstumą, kurį turėjome perkelti svirtimi, tačiau reikiamą jėgą sumažinome perpus, kad galėtume atlikti tą patį darbą.
Pasvirusi plokštuma
Pasvirusi plokštuma yra tiesiog plokščias paviršius, iškeltas kampu, kaip rampos. Pasak Bobo Williamso, Ohajo universiteto Russio inžinerijos ir technologijos kolegijos mechanikos inžinerijos katedros profesoriaus, pasvirusi plokštuma yra būdas pakelti krovinį, kuris būtų per sunkus, kad pakiltų tiesiai į viršų. Kampas (pasvirusios plokštumos statumas) lemia, kiek pastangų reikia norint pakelti svorį. Kuo staigesnė rampos, tuo daugiau pastangų reikia. Tai reiškia, kad jei pakelsime 100 svarų. Svarstydami 2 pėdas, pasukdami ją 4 pėdų rampa, perpus sumažiname reikiamą jėgą, padvigubindami atstumą, kurį reikia judinti. Jei būtume naudojęsi 8 pėdų (2,4 m) rampa, reikalingą jėgą galėtume sumažinti tik iki 25 svarų. (11,3 kg).
Skriemulys
Jei norime pakelti tą patį 100 svarų. svorį virve, skriemulį galėtume pritvirtinti prie sijos, esančios virš svorio. Tai leistų mums nustumti žemyn, o ne viršuje, bet vis tiek reikia 100 svarų. jėgos. Tačiau jei mes naudosime du skriemulius - vieną, pritvirtintą prie viršutinės sijos, o kitą, pritvirtintą prie svorio - ir mes vieną virvės galą pritvirtintume prie sijos, praleisdami jį per svorio skriemulį, o paskui per skriemulį ant sijos, mes turėtume tik traukti virvę su 50 svarų. jėgos norint pakelti svorį, nors mes turėtume traukti virvę 4 pėdomis, kad pakeltume svorį 2 pėdos. Vėlgi, mes prekiavome padidintu atstumu dėl sumažėjusios jėgos.
Jei norime panaudoti dar mažiau jėgos per dar didesnį atstumą, galime naudoti bloką ir įveikti. Remiantis kursų medžiaga iš Pietų Karolinos universiteto, „Blokas ir kova yra skriemulių derinys, kuris sumažina jėgos kiekį, reikalingą kažkam pakelti. Kompensacija yra ta, kad blokui ir kovui reikalingas ilgesnis virvės ilgis. judėti tuo pačiu atstumu “.
Jie yra taip pat paprasti, kaip skriemuliai, tačiau jie vis dar naudojami moderniausiose naujose mašinose. Pavyzdžiui, „Hangprinter“, 3D spausdintuvas, galintis statyti baldų dydžio objektus, naudoja laidų ir kompiuteriu valdomų skriemulių sistemą, pritvirtintą prie sienų, grindų ir lubų.
Varžtas
„Varžtas iš esmės yra ilgas nuožulnus plokštumas, apvyniotas aplink veleną, todėl jo mechaninis pranašumas gali būti vertinamas taip pat, kaip ir nuolydis“, - teigia „HyperPhysics“, Džordžijos valstijos universiteto sukurta svetainė. Daugelis prietaisų naudoja varžtus, norėdami panaudoti jėgą, kuri yra daug didesnė nei jėga, naudojama sraigtui pasukti. Šie įtaisai apima suoliukus ir tvirtinimo veržles ant automobilių ratų. Jie įgyja mechaninį pranašumą ne tik iš paties varžto, bet ir daugeliu atvejų dėl ilgos rankenos, naudojamos varžtui pasukti, svirties.
Pleištas
Pasak Naujojo Meksikos kalnakasybos ir technologijos instituto, „pleištai juda pasvirusiomis plokštumomis, kurios važiuojamos pagal krovinius, kad pakiltų, arba į krovinius, norint padalinti ar atskirti“. Ilgesnis, plonesnis pleištas suteikia daugiau mechaninio pranašumo nei trumpesnis, platesnis pleištas, tačiau pleištas daro ką kita: Pagrindinė pleišto funkcija yra pakeisti įvesties jėgos kryptį. Pvz., Jei norime padalinti rąstą, naudodamiesi plaktuku, didelę jėgą galime nukreipti pleištą žemyn į rąsto galą, o pleištas nukreipia šią jėgą į išorę, sukeldamas medienos skilimą. Kitas pavyzdys yra durų staliukas, kai jėga, naudojama pastumti ją po durų kraštu, perduodama žemyn, todėl susidaro trinties jėga, kuri priešinasi slydimui per grindis.
Čikagos mokslo ir pramonės muziejuje raskite įdomių užsiėmimų, susijusių su paprastomis mašinomis.
