V priebehu histórie ľudia vyvinuli niekoľko zariadení, ktoré uľahčujú prácu. Najvýznamnejšie z nich sú známe ako „šesť jednoduchých strojov“: koleso a náprava, páka, naklonená rovina, kladka, skrutka a klin, hoci posledné tri sú vlastne iba rozšírenia alebo kombinácie prvých tri.
Pretože práca je definovaná ako sila pôsobiaca na objekt v smere pohybu, stroj podľa Jeffersona Lab uľahčuje prácu tým, že vykonáva jednu alebo viac z nasledujúcich funkcií:
- presun sily z jedného miesta na druhé,
- zmena smeru sily,
- - zväčšenie veľkosti sily alebo -
- zväčšenie vzdialenosti alebo rýchlosti sily.
Jednoduché stroje sú zariadenia bez pohyblivých častí alebo s veľmi malým počtom pohyblivých častí, ktoré uľahčujú prácu. Podľa University of Colorado v Boulder sú mnohé z dnešných zložitých nástrojov iba kombináciami alebo zložitejšími formami šiestich jednoduchých strojov. Napríklad by sme mohli pripevniť dlhú rukoväť na hriadeľ, aby sme vytvorili čelo, alebo použiť blok a kladkostroj na vytiahnutie nákladu na rampu. Aj keď sa tieto stroje môžu zdať jednoduché, naďalej nám poskytujú prostriedky na vykonávanie mnohých vecí, ktoré by sme bez nich nikdy nemohli zvládnuť.
Koleso a náprava
Koleso sa považuje za jeden z najvýznamnejších vynálezov v histórii sveta. „Pred vynálezom kolesa pri 3500 ° C boli ľudia vážne obmedzení v tom, koľko vecí sme mohli prepravovať po súši a ako ďaleko,“ napísala Natalie Wolchover v článku „Živé vedy“, „Top 10 vynálezov, ktoré zmenili svet.“ „Kolesové vozíky uľahčili poľnohospodárstvo a obchod tým, že umožnili prepravu tovaru na trhy a z trhov, ako aj zmiernili záťaž ľudí, ktorí cestujú na veľké vzdialenosti.“
Koleso výrazne znižuje trenie, ktoré sa vyskytuje, keď sa predmet pohybuje po povrchu. „Ak dáte kartotéku na malý vozík s kolieskami, môžete výrazne znížiť silu, ktorú musíte použiť, aby ste kabinet pohybovali konštantnou rýchlosťou,“ tvrdí Univerzita v Tennessee.
Charlie Samuels vo svojej knihe „Ancient Science: Prehistory-AD 500“ (Gareth Stevens, 2010) píše: „V niektorých častiach sveta sa ťažké predmety, ako sú kamene a člny, pohybovali pomocou guľatiny. Keď sa objekt pohol vpred, valčeky boli vzaté zozadu a nahradené spredu. ““ Bol to prvý krok vo vývoji kolesa.
Veľkou novinkou však bolo namontovanie kolesa na nápravu. Koleso by mohlo byť pripevnené k náprave, ktorá bola nesená ložiskom, alebo by sa dalo voľne otáčať okolo nápravy. To viedlo k vývoju vozňov, vozňov a vozňov. Podľa Samuelsa archeológovia používajú vývoj kolesa, ktoré sa otáča na náprave, ako indikátor relatívne vyspelej civilizácie. Najstaršia zmienka o kolesách na nápravách je asi 3 200 ° C. Sumeri. Číňania vynašli koleso nezávisle pri 2800 ° C.
Násobiče sily
Okrem znižovania trenia môžu koleso a náprava slúžiť aj ako multiplikátor sily podľa Science Quest od Wiley. Ak je koleso pripojené k náprave a na otáčanie kolesa sa použije sila, je rotačná sila alebo krútiaci moment na nápravu oveľa väčšia ako sila pôsobiaca na ráfik kolesa. Alternatívne môže byť na nápravu pripevnená dlhá rukoväť, aby sa dosiahol podobný účinok.
Zvyšných päť strojov pomáha ľuďom zvyšovať a / alebo presmerovať silu aplikovanú na objekt. Janet L. Kolodner a jej spoluautori v knihe „Pohybujúce sa veľké veci“ (je čas, 2009) píšu: „Stroje poskytujú mechanickú výhodu pri pohybe objektov. Mechanická výhoda je kompromis medzi silou a vzdialenosťou. " V nasledujúcej diskusii o jednoduchých strojoch, ktoré zvyšujú silu pôsobiacu na ich vstup, zanedbáme silu trenia, pretože vo väčšine týchto prípadov je trecia sila v porovnaní so vstupnými a výstupnými silami veľmi malá.
Ak je sila aplikovaná na diaľku, vytvára to prácu. Matematicky je to vyjadrené ako W = F × D. Napríklad, aby sme zdvihli objekt, musíme urobiť prácu na prekonaní sily spôsobenej gravitáciou a posunúť objekt smerom nahor. Na zdvihnutie objektu, ktorý je dvakrát taký ťažký, trvá zdvihnutie rovnakej vzdialenosti dvakrát. Zdvíhanie toho istého objektu trvá dvakrát toľko práce. Ako ukazuje matematika, hlavnou výhodou strojov je to, že nám umožňujú robiť rovnakú prácu tým, že vyvíjajú menšie množstvo sily na väčšiu vzdialenosť.
Páka
„Daj mi páku a miesto, aby som sa postavil a pohnem svetom.“ Toto chvályhodné tvrdenie sa pripisuje gréckemu filozofovi, matematikovi a vynálezcovi Archimedesovi z tretieho storočia. Aj keď to môže byť trochu prehnané, vyjadruje silu pákového efektu, ktorý prinajmenšom obrazne pohybuje svetom.
Géniom Archimedesa bolo uvedomiť si, že na dosiahnutie toho istého množstva alebo práce je možné pomocou páky urobiť kompromis medzi silou a vzdialenosťou. Vo svojom zákone o páke sa uvádza, že „magnitúda sú v rovnováhe na vzdialenosti recipročne úmerné ich váham“, podľa „Archimedes v 21. storočí“, virtuálnej knihy Chrisa Rorresa na New York University.
Páka sa skladá z dlhého lúča a otočného čapu alebo čapu. Mechanická výhoda páky závisí od pomeru dĺžok lúča na oboch stranách osi.
Napríklad povedzme, že chceme zdvihnúť 100 lb. (45 kilogramov) hmotnosť 2 stopy (61 centimetrov) od zeme. Môžeme vyvinúť 100 libier. sily na váhu smerom nahor na vzdialenosť 2 stôp a vykonali sme prácu 200 libier (271 Newton metrov). Keby sme však mali používať páku s dĺžkou 30 stôp (9 m) s jedným koncom pod váhou a 1 stopu (30,5 cm) oporou umiestnenou pod lúčom 10 metrov (3 m) od hmotnosti, mali by sme iba tlačiť dole na druhý koniec s 50 libier. (23 kg) sily na zdvíhanie závažia. Aby sme zdvihli závažie o 2 stopy, museli by sme však zatlačiť koniec páky nadol o 1,2 metra. Urobili sme kompromis, v ktorom sme zdvojnásobili vzdialenosť, ktorú sme museli pohnúť pákou, ale potrebnú silu sme znížili o polovicu, aby sme vykonali rovnakú prácu.
Naklonená rovina
Naklonená rovina je jednoducho plochý povrch zdvihnutý šikmo ako rampa. Podľa Bob Williamsa, profesora na katedre strojárstva na Ruskej vysokej škole strojárskej a technológie na univerzite v Ohiu, je naklonená rovina spôsob zdvíhania nákladu, ktorý by bol príliš ťažký na to, aby sa mohol zdvihnúť priamo nahor. Uhol (strmosť naklonenej roviny) určuje, koľko úsilia je potrebné na zvýšenie hmotnosti. Čím strmá rampa, tým viac úsilia je potrebné. To znamená, že ak zdvihneme 100 lb. s hmotnosťou 2 stopy zvinutím 4-stopovej rampy, znížime potrebnú silu o polovicu, pričom zdvojnásobíme vzdialenosť, ktorú musí posunúť. Keby sme mali používať 8-stopovú (2,4 m) rampu, mohli by sme znížiť potrebnú silu len na 25 libier. (11,3 kg).
Kladka
Ak chceme zdvihnúť tú istú 100 libier. S lanom sme mohli pripevniť kladku na lúč nad hmotnosťou. To by nám umožnilo strhnúť sa namiesto lana nahor, ale stále to vyžaduje 100 libier. sily. Ak by sme však mali použiť dve remenice - jednu pripevnenú k hlavnému nosníku a druhú pripojenú k závažiu - a my sme mali pripevniť jeden koniec lana k nosníku, preveďte cez kladku na závažie a potom cez kladka na lúči, museli by sme len ťahať za lano s 50 libier. sily, aby sme zdvihli hmotnosť, aj keď by sme museli ťahať lano 4 stopy, aby sme zdvihli hmotnosť 2 stopy. Opäť sme obchodovali so zvýšenou vzdialenosťou za zníženú silu.
Ak chceme použiť ešte menšiu silu na väčšiu vzdialenosť, môžeme použiť blok a náradie. Podľa študijných materiálov z Univerzity v Južnej Karolíne „Blok a náčinie sú kombináciou kladiek, ktoré znižujú množstvo sily potrebnej na zdvihnutie niečoho. Kompromis je v tom, že na blok a náčinie je potrebná dlhšia dĺžka lana. presunúť niečo v rovnakej vzdialenosti. ““
Rovnako jednoduché ako kladky stále nachádzajú uplatnenie v najmodernejších nových strojoch. Napríklad tlačiareň Hangprinter, 3D tlačiareň, ktorá dokáže stavať predmety s nábytkom, používa systém drôtov a počítačom riadených kladiek ukotvených na stenách, podlahe a strope.
Skrutka
„Skrutka je v podstate dlhá rovina so stúpaním omotaná okolo šachty, takže k jej mechanickej výhode sa dá pristupovať rovnako ako k stúpaniu,“ tvrdí HyperPhysics, webová stránka, ktorú vytvorila štátna univerzita v Georgii. Mnoho zariadení používa skrutky na vyvíjanie sily, ktorá je oveľa väčšia ako sila použitá na otáčanie skrutky. Tieto zariadenia zahŕňajú lavicové zveráky a matice na kolesách automobilu. Mechanickú výhodu získajú nielen zo samotnej skrutky, ale v mnohých prípadoch aj z páky dlhej rukoväte použitej na otáčanie skrutky.
Klin
Podľa Inštitútu baníctva a technológie v Novom Mexiku „Kliny sa pohybujú v naklonených lietadlách, ktoré sú poháňané nákladmi, aby zdvihovali, alebo do nákladu, aby sa rozdelili alebo oddelili.“ Dlhší, tenší klin poskytuje viac mechanickej výhody ako kratší, širší klin, ale klin robí niečo iné: Hlavnou funkciou klinu je zmena smeru vstupnej sily. Napríklad, ak chceme rozdeliť guľatinu, môžeme pomocou klzného kladiva riadiť klin klinom smerom dole na koniec guľky a klin túto silu presmeruje von, čím sa drevo štiepi. Ďalším príkladom je zarážka dverí, kde sila použitá na jej zatlačenie pod okraj dverí sa prenáša smerom nadol, čo vedie k trecej sile, ktorá odoláva kĺzaniu po podlahe.
Nájdite zábavné aktivity týkajúce sa jednoduchých strojov v Múzeu vedy a priemyslu v Chicagu.
