Under hela historien har människor utvecklat flera enheter för att underlätta arbetet. Det mest anmärkningsvärda av dessa är kända som "sex enkla maskiner": hjulet och axeln, spaken, det lutande planet, remskivan, skruven och kilen, även om de senare tre faktiskt bara är förlängningar eller kombinationer av den första tre.
Eftersom arbete definieras som kraft som verkar på ett objekt i rörelseriktningen, gör en maskin lättare att utföra genom att utföra en eller flera av följande funktioner, enligt Jefferson Lab:
- överföra en kraft från en plats till en annan,
- ändra riktningen för en kraft,
- öka storleken på en kraft, eller
- öka avståndet eller hastigheten för en kraft.
Enkla maskiner är enheter utan eller mycket få rörliga delar som underlättar arbetet. Många av dagens komplexa verktyg är bara kombinationer eller mer komplicerade former av de sex enkla maskinerna, enligt University of Colorado i Boulder. Vi kan till exempel fästa ett långt handtag på en axel för att skapa en vindglas, eller använda ett block och tackla för att dra en last upp en ramp. Även om dessa maskiner kan verka enkla, fortsätter de att ge oss möjligheter att göra många saker som vi aldrig kunde göra utan dem.
Hjul och axel
Hjulet anses vara en av de viktigaste uppfinningarna i världens historia. "Före uppfinningen av hjulet i 3500 f.Kr. var människor starkt begränsade i hur mycket saker vi kunde transportera över land, och hur långt," skrev Natalie Wolchover i Live Science-artikeln "Topp 10 uppfinningar som förändrade världen." "Hjulvagnar underlättade jordbruk och handel genom att möjliggöra transport av varor till och från marknader, samt att underlätta bördorna för människor som reser stora avstånd."
Hjulet minskar kraftigt friktionen som uppstår när ett föremål flyttas över en yta. "Om du sätter ditt arkivskåp på en liten vagn med hjul, kan du kraftigt minska kraften du behöver använda för att flytta skåpet med konstant hastighet," enligt University of Tennessee.
I sin bok "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), skriver Charlie Samuels, "I delar av världen flyttades tunga föremål som stenar och båtar med hjälp av stockrullar. När objektet rörde sig framåt rullade rullar togs bakifrån och ersattes framför. " Detta var det första steget i utvecklingen av hjulet.
Den stora innovationen var dock att montera ett hjul på en axel. Hjulet kan fästas på en axel som stöds av ett lager, eller det kan göras att det vrider sig fritt om axeln. Detta ledde till utveckling av vagnar, vagnar och vagnar. Enligt Samuels använder arkeologer utvecklingen av ett hjul som roterar på en axel som en indikator på en relativt avancerad civilisation. De tidigaste bevisen på hjul på axlar är från cirka 3200 f.Kr. av sumerierna. Kineserna uppfann oberoende hjulet 2800 f.Kr.
Tvinga multiplikatorer
Förutom att minska friktionen kan ett hjul och axel också fungera som en kraftmultiplikator, enligt Science Quest från Wiley. Om ett hjul är fäst på en axel, och en kraft används för att vrida hjulet, är rotationskraften eller vridmomentet på axeln mycket större än kraften som appliceras på hjulets kant. Alternativt kan ett långt handtag fästas på axeln för att uppnå en liknande effekt.
De övriga fem maskinerna hjälper alla människor att öka och / eller omdirigera kraften som appliceras på ett objekt. I sin bok "Moving Big Things" (It's about time, 2009) skriver Janet L. Kolodner och hennes medförfattare: "Maskiner ger mekanisk fördel för att hjälpa till att flytta föremål. Mekanisk fördel är avvägningen mellan kraft och avstånd. " I följande diskussion av de enkla maskinerna som ökar kraften som appliceras på deras ingång kommer vi att försumma friktionskraften, eftersom i de flesta av dessa fall är friktionskraften mycket liten jämfört med ingående och utgående krafter.
När en kraft appliceras över ett avstånd producerar den arbete. Matematiskt uttrycks detta som W = F × D. För att till exempel lyfta ett objekt måste vi göra arbete för att övervinna kraften på grund av tyngdkraften och flytta objektet uppåt. För att lyfta ett föremål som är dubbelt så tungt tar det dubbelt så mycket arbete för att lyfta det samma avståndet. Det tar också dubbelt så mycket arbete att lyfta samma objekt två gånger så långt. Som matematiken indikerar är den största fördelen med maskiner att de tillåter oss att göra samma mängd arbete genom att tillämpa en mindre mängd kraft över ett större avstånd.
Spak
"Ge mig en spak och en plats att stå, så ska jag röra världen." Detta skrymmande påstående tillskrivs den grekiska filosofen, matematikern och uppfinnaren Archimedes från det tredje århundradet. Även om det kan vara lite överdrift, uttrycker det verkligen hävstångseffekten, som åtminstone bildligt rör sig världen.
Geni av Archimedes var att inse att för att uppnå samma belopp eller arbete kunde man göra en avvägning mellan kraft och avstånd med hjälp av en spak. Hans lag om hävstången säger, "Magnitude är i jämvikt på avstånd ömsesidigt proportionella till deras vikter", enligt "Archimedes in the 21st Century," en virtuell bok av Chris Rorres vid New York University.
Spaken består av en lång stråle och en stödjare, eller sväng. Den mekaniska fördelen med spaken beror på förhållandet mellan strålens längder på båda sidor om stödet.
Säg till exempel att vi vill lyfta en 100 lb. (45 kg) vikt 2 fot (61 centimeter) från marken. Vi kan utöva 100 kg. av kraft på vikten i uppåtgående riktning i ett avstånd av 2 fot, och vi har gjort 200 pund fot (271 Newton-meter) arbete. Men om vi skulle använda en 30-fots (9 m) spak med en ände under vikten och en 1-fots (30,5 cm) stödpod placerad under balken 3 fot (3 m) från vikten, skulle vi bara ha att trycka ner i andra änden med 50 kg. (23 kg) kraft för att lyfta vikten. Men vi måste pressa änden av spaken ner 1,2 meter för att lyfta vikten 2 meter. Vi har gjort en avvägning där vi fördubblade avståndet vi var tvungna att flytta spaken, men vi minskade den nödvändiga kraften med hälften för att göra samma mängd arbete.
Lutande plan
Det lutande planet är helt enkelt en plan yta som är upphöjd i vinkel, som en ramp. Enligt Bob Williams, professor vid institutionen för maskinteknik vid Russ College of Engineering and Technology vid Ohio University, är ett lutande plan ett sätt att lyfta en last som skulle vara för tung att lyfta rakt upp. Vinkeln (det lutande planets branthet) avgör hur mycket ansträngning som krävs för att höja vikten. Ju brantare rampen, desto mer ansträngning krävs. Det betyder att om vi lyfter våra £ 100. vikt 2 meter genom att rulla upp en 4-fots ramp, vi minskar den nödvändiga kraften med hälften samtidigt som vi fördubblar avståndet måste flyttas. Om vi skulle använda en 8-fots (2,4 m) ramp, skulle vi kunna reducera den nödvändiga kraften till endast 25 kg. (11,3 kg).
Remskiva
Om vi vill lyfta samma 100 lb. vikt med ett rep, kunde vi fästa en remskiva till en balk ovanför vikten. Detta skulle låta oss dra ner istället för upp på repet, men det kräver fortfarande 100 kg. av kraft. Men om vi skulle använda två remskivor - en fäst vid takbjälken, och den andra fäst vid vikten - och vi skulle fästa ena änden av repet till balken, kör den genom remskivan på vikten och sedan genom remskivan på balken, vi skulle bara behöva dra i repet med 50 kg. av kraft för att lyfta vikten, även om vi skulle behöva dra repet 4 fot för att lyfta vikten 2 fot. Återigen har vi handlat ökat avstånd för minskad kraft.
Om vi vill använda ännu mindre kraft över ett ännu större avstånd kan vi använda ett block och ta itu med. Enligt kursmaterial från University of South Carolina, "En block och tackling är en kombination av remskivor som minskar mängden kraft som krävs för att lyfta något. Avvägningen är att en längre replängd krävs för ett block och tackling att flytta något på samma avstånd. "
Så enkla som remskivor är, de hittar fortfarande användning i de mest avancerade nya maskinerna. Till exempel använder Hangprinter, en 3D-skrivare som kan bygga objekt i möbelstorlek, ett system med ledningar och datorstyrda remskivor förankrade på väggar, golv och tak.
Skruva
"En skruv är i huvudsak ett långt lutningsplan som är lindat runt en axel, så dess mekaniska fördel kan nås på samma sätt som lutningen," enligt HyperPhysics, en webbplats som produceras av Georgia State University. Många enheter använder skruvar för att utöva en kraft som är mycket större än kraften som används för att vrida skruven. Dessa enheter inkluderar bänkskärmar och luggmuttrar på bilhjul. De får en mekanisk fördel inte bara från själva skruven utan också, i många fall, från hävstången på ett långt handtag som används för att vrida skruven.
Kil
Enligt New Mexico Institute of Mining and Technology, "kilar flyttar lutande plan som körs under laster för att lyfta, eller in i en last som ska delas eller separeras." En längre, tunnare kil ger mer mekanisk fördel än en kortare, bredare kil, men en kil gör något annat: Huvudfunktionen för en kil är att ändra ingångskraftens riktning. Om vi till exempel vill dela en stock kan vi driva en kil nedåt i slutet av stocken med stor kraft med hjälp av en slägga, och kilen kommer att omdirigera denna kraft utåt, vilket får träet att delas. Ett annat exempel är en dörrstopp, där kraften som används för att trycka den under kanten på dörren överförs nedåt, vilket resulterar i friktionskraft som motstår att glida över golvet.
Hitta några roliga aktiviteter med enkla maskiner på Museum of Science and Industry i Chicago.
