Vēstures gaitā cilvēki ir izstrādājuši vairākas ierīces, lai atvieglotu darbu. Ievērojamākie no tiem ir pazīstami kā "sešas vienkāršas mašīnas": ritenis un ass, svira, slīpa plakne, skriemelis, skrūve un ķīlis, lai gan pēdējie trīs faktiski ir tikai pirmā pagarinājumi vai kombinācijas. trīs.
Tā kā darbs tiek definēts kā spēks, kas iedarbojas uz objektu kustības virzienā, mašīna atvieglo darbu, veicot vienu vai vairākas no šīm funkcijām, saskaņā ar Jefferson Lab:
- spēka pārnešana no vienas vietas uz otru,
- mainot spēka virzienu,
- palielinot spēka lielumu, vai
- palielinot spēka attālumu vai ātrumu.
Vienkāršas mašīnas ir ierīces, kurās nav kustīgu detaļu vai to ir ļoti maz, kas atvieglo darbu. Saskaņā ar Kolorādo Universitātes Bouldera teikto, daudzi mūsdienu sarežģītie rīki ir tikai sešu vienkāršu mašīnu kombinācijas vai sarežģītākas formas. Piemēram, mēs varam pie vārpstas piestiprināt garu rokturi, lai izveidotu vējstiklu, vai arī, lai pievilktu kravu uz rampas, izmantojiet bloku un ķēdi. Lai arī šīs mašīnas var šķist vienkāršas, tās turpina sniegt mums līdzekļus daudzu lietu veikšanai, ko mēs nekad bez tām nekad nevarētu izdarīt.
Ritenis un ass
Ritenis tiek uzskatīts par vienu no nozīmīgākajiem izgudrojumiem pasaules vēsturē. "Pirms riteņa izgudrošanas 3500 B.C., cilvēkiem bija stingri ierobežots, cik daudz lietu mēs varam pārvadāt pa sauszemi un cik tālu," rakstīja Natālija Volčovere Live Science rakstā "Top 10 izgudrojumi, kas mainīja pasauli". "Ratiņi ar riteņiem atviegloja lauksaimniecību un tirdzniecību, dodot iespēju transportēt preces uz un no tirgiem, kā arī atvieglojot cilvēku slogu, kas ceļo lielos attālumos."
Ritenis ievērojami samazina berzi, kas rodas, pārvietojot priekšmetu virs virsmas. "Ja jūs ievietojat failu skapi uz neliela ratiņa ar riteņiem, jūs varat ievērojami samazināt spēku, kas jums jāpieliek, lai pārvietotu skapi ar nemainīgu ātrumu," saka Tenesī universitāte.
Čārlijs Samuels savā grāmatā "Senā zinātne: aizvēsture-AD 500" (Gareth Stevens, 2010) raksta: "Dažās pasaules daļās smagie priekšmeti, piemēram, klintis un laivas, tika pārvietoti, izmantojot baļķu ruļļus. Objektam virzoties uz priekšu, veltņi tika aizvesti no aizmugures un nomainīti priekšā. " Tas bija pirmais solis riteņa attīstībā.
Tomēr lielisks jauninājums bija riteņa uzstādīšana uz ass. Riteni varētu piestiprināt pie ass, kuru atbalsta gultnis, vai arī to varēja likt brīvi griezties ap asi. Tas noveda pie ratiņu, vagonu un ratiņu izstrādes. Pēc Samuels teiktā, arheologi riteņa attīstību, kas rotē pa asi, izmanto kā salīdzinoši attīstītas civilizācijas rādītāju. Agrākie pierādījumi par riteņiem uz asīm ir no aptuveni 3200 B.C. ko iesniedza šumeri. Ķīnieši patstāvīgi izgudroja riteni 2800 B.C.
Spēka pavairotāji
Papildus berzes samazināšanai ritenis un ass var kalpot arī kā spēka reizinātāji, saskaņā ar Science Quest no Wiley. Ja pie ass ir piestiprināts ritenis un riteņa pagriešanai tiek izmantots spēks, tad ass griešanās spēks vai griezes moments ir daudz lielāks nekā spēks, kas tiek piemērots riteņa malai. Lai panāktu līdzīgu efektu, pie ass var piestiprināt garu rokturi.
Visas pārējās piecas mašīnas palīdz cilvēkiem palielināt un / vai novirzīt spēkam, kas tiek piemērots objektam. Džaneta L. Kolodnere un viņas līdzautori savā grāmatā "Lielu lietu pārvietošana" (Tas ir par laiku, 2009) raksta: "Mašīnas nodrošina mehāniskas priekšrocības, lai palīdzētu kustīgiem objektiem. Mehāniskās priekšrocības ir kompromiss starp spēku un attālumu. " Turpmākajā diskusijā par vienkāršajām mašīnām, kas palielina to ievadei pielietoto spēku, mēs neņemsim vērā berzes spēku, jo lielākajā daļā šo gadījumu berzes spēks ir ļoti mazs, salīdzinot ar iesaistītajiem ieejas un izejas spēkiem.
Ja attālums tiek pielikts spēks, tas rada darbu. Matemātiski tas tiek izteikts kā W = F × D. Piemēram, lai paceltu kādu priekšmetu, mums jādara, lai pārvarētu spēku gravitācijas ietekmē un pārvietotu objektu uz augšu. Lai paceltu divreiz smagāku priekšmetu, tas prasa divreiz vairāk darba, lai to paceltu tādā pašā attālumā. Arī viena un tā paša objekta pacelšanai divreiz tālāk ir nepieciešams divreiz vairāk darba. Kā norāda matemātika, mašīnu galvenais ieguvums ir tas, ka tās ļauj mums veikt tādu pašu darbu, pieliekot mazāku spēka daudzumu lielākā attālumā.
Svira
"Dodiet man sviru un vietu, kur stāvēt, un es pārvietošu pasauli." Šī lepnā prasība tiek attiecināta uz trešā gadsimta grieķu filozofu, matemātiķi un izgudrotāju Arhimēdu. Lai arī tas var būt nedaudz pārspīlēts, tas tomēr izsaka sviras spēku, kas vismaz tēlaini izceļ pasauli.
Arhimēda ģēnijs bija saprast, ka, lai paveiktu tādu pašu daudzumu vai darbu, var izmantot kompromisu starp spēku un attālumu, izmantojot sviru. Viņa sviras likumā teikts, ka "magnitūdi ir līdzsvarā attālumos, kas ir abpusēji proporcionāli to svaram", saskaņā ar "Arhimēds 21. gadsimtā" ir Krisa Rorresa virtuāla grāmata Ņujorkas universitātē.
Sviru veido tāls stars un atbalsta mala, vai šarnīrsavienojums. Sviras mehāniskās priekšrocības ir atkarīgas no sijas garuma attiecības abpus atbalsta malai.
Piemēram, teiksim, ka mēs vēlamies pacelt 100 mārciņas. (45 kilogramu) svars ir 2 pēdas (61 centimetrs) no zemes. Mēs varam izliet 100 mārciņas. spēks uz svaru augšupvērstā virzienā 2 pēdu attālumā, un mēs esam paveikuši 200 mārciņas-pēdas (271 ņūtonmetru) darba. Tomēr, ja mēs izmantotu 30 pēdu (9 m) sviru ar vienu galu zem svara un 1 pēdas (30,5 cm) balstu, kas novietots zem sijas 10 pēdu (3 m) attālumā no svara, mums būtu tikai lai nospiestu otru galu ar 50 mārciņām. (23 kg) spēks, lai paceltu svaru. Tomēr, lai paceltu svaru 2 pēdas, mums sviras gals jānolaiž uz leju 4 pēdas (1,2 m). Mēs esam veikuši kompromisu, kurā mēs divkāršojām attālumu, kas mums bija jāpārvieto svirā, bet, lai veiktu tādu pašu darba daudzumu, vajadzīgo spēku samazinājām uz pusi.
Slīpa plakne
Slīpa plakne ir vienkārši līdzena virsma, kas pacelta leņķī, piemēram, uzbrauktuve. Kā norāda Bobs Viljamss, Ohaio Universitātes Russ inženierzinātņu un tehnoloģijas koledžas mašīnbūves katedras profesors, slīpa plakne ir kravas pacelšanas veids, kas būtu pārāk smags, lai to paceltu taisni uz augšu. Leņķis (slīpās plaknes stāvums) nosaka, cik daudz pūļu nepieciešams, lai paceltu svaru. Jo stāvāka uzbrauktuve, jo vairāk pūļu ir jāpieliek. Tas nozīmē, ka, ja mēs pacelsim savus 100 mārciņas. Sveriet 2 pēdas, ripinot to pa 4 pēdu uzbrauktuvi, mēs uz pusi samazinām nepieciešamo spēku, divkāršojot attālumu, kas tam jāpārvieto. Ja mēs izmantotu 8 pēdu (2,4 m) uzbrauktuvi, mēs varētu samazināt nepieciešamo spēku līdz tikai 25 mārciņām. (11,3 kg).
Skriemelis
Ja mēs vēlamies pacelt tos pašus 100 mārciņas. svaru ar virvi, mēs varētu piestiprināt skriemeli pie sijas, kas pārsniedz svaru. Tas ļautu mums vilkt uz leju, nevis uz augšu uz virves, bet tas joprojām prasa 100 mārciņas. spēka. Tomēr, ja mēs izmantotu divus skriemeļus - vienu, kas piestiprināts pie gaismas sijas, bet otru, kas piestiprināts pie svara - un mēs vienu virves galu piestiprinātu pie sijas, izlaistu to caur svara skriemeli un pēc tam cauri skriemelis uz sijas, mums vajadzētu vilkt virvi tikai ar 50 mārciņām. spēku, lai paceltu svaru, lai gan mums vajadzēs vilkt virvi 4 pēdas, lai paceltu svaru 2 pēdas. Atkal mēs esam tirgojuši lielāku attālumu samazināta spēka dēļ.
Ja mēs vēlamies izmantot vēl mazāku spēku vēl lielākā attālumā, mēs varam izmantot bloku un cīnīties. Saskaņā ar Dienvidkarolīnas Universitātes kursu materiāliem: "Bloks un ķēde ir skriemeļu kombinācija, kas samazina spēka daudzumu, kas vajadzīgs kaut kā pacelšanai. Kompromiss ir tāds, ka blokam un risinājumam ir nepieciešams ilgāks virves garums. kaut ko tādu pašu attālumu pārvietot. "
Tik vienkārši, cik trīši ir, tie joprojām tiek pielietoti vismodernākajās jaunajās mašīnās. Piemēram, Hangprinter, 3D printeris, kas var būvēt mēbeļu izmēra objektus, izmanto vadu un datoru vadāmu skriemeļu sistēmu, kas noenkurota uz sienām, grīdas un griestiem.
Skrūve
"Skrūve būtībā ir gara slīpa plakne, kas ietīta ap vārpstu, tāpēc tās mehāniskajai priekšrocībai var pieiet tādā pašā veidā kā slīpumam," saka HyperPhysics, Džordžijas štata universitātes izveidota vietne. Daudzas ierīces izmanto skrūves, lai pieliktu spēku, kas ir daudz lielāks nekā skrūves pagriešanai izmantotais spēks. Šajās ierīcēs ietilpst stendi un skrūves uz riteņiem. Viņi iegūst mehāniskas priekšrocības ne tikai no pašas skrūves, bet daudzos gadījumos arī no gara roktura, kuru izmanto skrūves pagriešanai.
Ķīlis
Saskaņā ar Ņūmeksikas Kalnrūpniecības un tehnoloģijas institūta teikto, "ķīļi pārvietojas slīpas lidmašīnas, kuras tiek vadītas zem slodzes, lai paceltu, vai kravas, lai sadalītu vai atdalītu." Garāks, plānāks ķīlis dod vairāk mehānisku priekšrocību nekā īsāks, platāks ķīlis, bet ķīlis veic kaut ko citu: ķīļa galvenā funkcija ir mainīt ieejas spēka virzienu. Piemēram, ja mēs vēlamies sadalīt baļķi, mēs varam ar lielu spēku ar ķīli virzīt ķīli uz leju baļķa galā, un ķīlis novirzīs šo spēku uz āru, izraisot koksnes sadalīšanos. Vēl viens piemērs ir durvju slānis, kur spēks, kas tiek izmantots, lai to stumtu zem durvju malas, tiek pārnests uz leju, kā rezultātā rodas berzes spēks, kas pretojas slīdēšanai pa visu grīdu.
Atrodiet dažas jautras aktivitātes, kurās iesaistītas vienkāršas mašīnas, Zinātnes un rūpniecības muzejā Čikāgā.
