Протягом історії люди розробили кілька пристроїв для полегшення роботи. Найпомітніші з них відомі як "шість простих машин": колесо і вісь, важіль, похила площина, шків, гвинт і клин, хоча останні три насправді є лише розширеннями або комбінаціями першого. три.
Оскільки робота визначається як сила, що діє на об’єкт у напрямку руху, машина полегшує виконання роботи, виконуючи одну або кілька з наступних функцій, згідно з лабораторією Джефферсона:
- перенесення сили з одного місця в інше,
- зміна напрямку сили,
- збільшення величини сили, або
- збільшуючи відстань або швидкість сили.
Прості машини - це пристрої, що не мають рухомих деталей або їх дуже мало, які полегшують роботу. За даними університету Колорадо в Боулдері, багато сучасних складних інструментів - це лише комбінації або складніші форми шести простих машин. Наприклад, ми можемо прикріпити довгу рукоятку до вала, щоб зробити вітрозамінник, або використовувати блок і снасті, щоб підтягнути вантаж до пандуса. Хоча ці машини можуть здатися простими, вони продовжують надавати нам засоби робити багато речей, які ми без них ніколи не могли зробити.
Колесо і вісь
Колесо вважається одним із найзначніших винаходів в історії світу. "До винаходу колеса в 3500 р. До н. Е. Люди були серйозно обмежені в тому, скільки предметів ми могли перевезти над сушею і наскільки далеко", - написала Наталі Волховер у статті "Live Science" "Топ-10 винаходів, які змінили світ". "Візки на колесах полегшували сільське господарство та торгівлю, дозволяючи транспортувати товари до ринків і з них, а також полегшуючи тягар людей, які подорожують на великі відстані".
Колесо значно зменшує тертя, яке виникає при переміщенні предмета над поверхнею. "Якщо ви поставите свою файлову шафу на невелику кошик з колесами, ви можете значно зменшити силу, яку потрібно застосувати для переміщення шафи з постійною швидкістю", - повідомляє університет штату Теннессі.
У своїй книзі "Стародавня наука: доісторія - 500 р. Н. Е." (Gareth Stevens, 2010) Чарлі Самуельс пише: "У деяких частинах світу важкі предмети, такі як скелі та човни, переміщувались за допомогою валкових колодок. Коли об'єкт рухався вперед, валики брали ззаду і замінювали спереду ». Це був перший крок у розвитку колеса.
Хоча велике нововведення полягало у встановленні колеса на вісь. Колесо могло бути прикріплено до осі, що підтримується підшипником, або воно може бути зроблено вільно обертатися навколо осі. Це призвело до розвитку візків, вагонів та колісниць. За словами Самуеля, археологи використовують розробку колеса, яке обертається на осі, як показник відносно розвиненої цивілізації. Найдавніші свідчення про колеса на осях - приблизно від 3200 до н.е. шумерами. Китайці самостійно винайшли колесо в 2800 році до н.е.
Мультиплікатори сили
Окрім зменшення тертя, колесо та вісь можуть також служити мультиплікатором сили, повідомляє Science Quest від Wiley. Якщо до осі прикріплено колесо, а для обертання колеса застосовується сила, сила обертання або крутний момент на вісь значно більша, ніж сила, прикладена до обода колеса. Як варіант, довгу ручку можна прикріпити до осі для досягнення подібного ефекту.
Інші п’ять машин допомагають людині збільшувати та / або перенаправляти силу, прикладену до предмета. У своїй книзі "Переміщення великих речей" (Пора, 2009 р.) Джанет Л. Колоднер та її співавтори пишуть: "Машини забезпечують механічну перевагу для надання допомоги в переміщенні предметів. Механічною перевагою є компроміс між силою та відстані. " У наступному обговоренні простих машин, що збільшують силу, прикладену до їх введення, ми нехтуємо силою тертя, оскільки в більшості випадків сила тертя дуже мала порівняно із вхідними та вихідними силами.
Коли сила накладається на відстань, вона створює роботу. Математично це виражається як W = F × D. Наприклад, щоб підняти предмет, ми повинні виконати роботу над подоланням сили за рахунок сили тяжіння і переміщення предмета вгору. Щоб підняти предмет, який удвічі важчий, потрібно підняти вдвічі більше роботи, щоб підняти його на ту саму відстань. Також потрібно два рази більше роботи, щоб підняти той самий предмет удвічі більше. Як вказує математика, головна перевага машин полягає в тому, що вони дозволяють нам робити таку ж роботу, застосовуючи менший обсяг сили на більшій відстані.
Важіль
"Дайте мені важіль і місце для стояння, і я переміщу світ". Це хвалебне твердження приписується грецькому філософу, математику та винахіднику Архімеда ІІІ століття. Хоча це може бути трохи перебільшенням, воно все ж виражає силу важеля, який, принаймні образно, рухає світ.
Геній Архімеда повинен був усвідомити, що для того, щоб виконати ту саму суму чи роботу, можна зробити компроміс між силою та дистанцією за допомогою важеля. Його Закон про Важіль зазначає: "Величини знаходяться в рівновазі на відстані, взаємно пропорційні їх вагам", згідно з "Архімедом в 21 столітті", віртуальною книгою Кріса Рорреса в Нью-Йоркському університеті.
Важіль складається з довгого променя і опори, або шарніра. Механічна перевага важеля залежить від співвідношення довжин бруса по обидва боки опори.
Наприклад, скажімо, ми хочемо підняти 100 фунтів. (45 кілограмів) вага 2 фути (61 сантиметр) від землі. Ми можемо докласти 100 фунтів. сили на вагу у напрямку вгору на відстань 2 фути, і ми виконали 200 фунтових футів (271 Ньютон-метр) роботи. Однак, якби ми використовували важіль висотою 30 футів з одним кінцем під вагою і 1-футовим (30,5 см) опорним пунктом, розміщеним під брусом в 10 футів (3 м) від ваги, ми мали б лише натиснути на інший кінець на 50 фунтів. (23 кг) сили для підйому ваги. Однак нам доведеться штовхати кінець важеля вниз на 4 фути (1,2 м), щоб підняти вагу на 2 фути. Ми здійснили компроміс, у якому подвоїли відстань, на який треба було перемістити важіль, але зменшили необхідну силу вдвічі, щоб виконати таку ж роботу.
Похила площина
Похила площина - це просто плоска поверхня, піднята під кутом, як пандус. За словами Боба Вільямса, професора кафедри машинобудування в Коледжі інженерії та технологій Університету Огайо, похилий літак є способом підняття вантажу, який би був надто важким, щоб підняти його прямо вгору. Кут (крутизна похилої площини) визначає, скільки зусиль потрібно для підняття ваги. Чим крутіше пандус, тим більше зусиль потрібно. Це означає, що якщо ми піднімемо свої 100 фунтів. вагою 2 фути, перекинувши його на 4-футовий пандус, ми зменшуємо необхідну силу вдвічі, подвоюючи відстань, яку необхідно перемістити. Якби ми використовували 8-футовий (2,4 м) пандус, ми могли б зменшити необхідну силу лише до 25 фунтів. (11,3 кг).
Шків
Якщо ми хочемо підняти ті самі 100 фунтів. ваги мотузкою, ми могли прикріпити шківу до балки вище ваги. Це дозволило б нам потягнутись вниз, а не на мотузку, але для цього потрібно 100 фунтів. сили. Однак, якби ми використовували два шківи - один прикріплений до балки, а другий прикріплений до ваги - і ми повинні були прикріпити один кінець мотузки до балки, пропустити її через шків на вазі, а потім через шківа на балці, нам потрібно було б лише потягнути за мотузку на 50 фунтів. сили, щоб підняти вагу, хоча нам доведеться тягнути мотузку 4 фути, щоб підняти вагу на 2 фути. Знову ми торгували збільшенням відстані для зменшення сили.
Якщо ми хочемо застосувати ще меншу силу на ще більшу відстань, можемо застосувати блок і снасть. Згідно з курсовими матеріалами з університету Південної Кароліни, «Блок і снасть - це комбінація шківів, яка зменшує кількість сили, необхідної для підняття чого-небудь. рухати щось на однаковій відстані ».
Настільки ж прості, як шківи, вони все ще знаходять застосування в найсучасніших нових машинах. Наприклад, у Hangprinter, 3D-принтері, який може створювати предмети розміру меблів, використовується система проводів та керовані комп’ютером шківи, прикріплені до стін, підлоги та стелі.
Гвинт
"Гвинт - це по суті довга площина нахилу, обернута навколо валу, тому його механічну перевагу можна наближати так само, як і нахил", - повідомляє сайт HyperPhysics, створений Державним університетом штату Джорджія. Багато пристроїв використовують гвинти для того, щоб чинити силу, набагато більше, ніж сила, яка використовується для повороту гвинта. Ці пристрої включають в себе порочні пороки та гайки на коліщатках автомобілів. Вони отримують механічну перевагу не тільки від самого гвинта, але і, в багатьох випадках, від важелів довгої ручки, що використовується для повороту гвинта.
Клин
За даними гірничо-технологічного інституту Нью-Мексико, "Клини рухаються похилими літаками, які рухаються під вантажами для підйому, або в вантаж, щоб розколоти або розділити". Більш довгий, тонший клин дає більше механічної переваги, ніж коротший, ширший клин, але клин робить щось інше: Основна функція клина - зміна напрямку вхідної сили. Наприклад, якщо ми хочемо розділити колоду, ми можемо загнати клин вниз в кінець колоди з великою силою за допомогою кувалди, і клин перенаправить цю силу назовні, внаслідок чого деревина розколоться. Інший приклад - дверний упор, коли сила, що використовується для його натискання під край дверей, передається вниз, внаслідок чого сила тертя, яка чинить опір ковзанню по підлозі.
Знайдіть цікаві заняття, пов’язані з простими машинами, в Музеї науки та промисловості в Чикаго.
