Gjennom historien har mennesker utviklet flere enheter for å gjøre arbeidet enklere. Den mest bemerkelsesverdige av disse er kjent som de "seks enkle maskinene": hjulet og akselen, spaken, det skrå planet, remskiven, skruen og kilen, selv om de tre sistnevnte egentlig bare er forlengelser eller kombinasjoner av den første tre.
Fordi arbeid er definert som kraft som virker på et objekt i bevegelsesretningen, gjør en maskin enklere å utføre ved å utføre en eller flere av følgende funksjoner, ifølge Jefferson Lab:
- overføre en styrke fra et sted til et annet,
- endre retningen på en styrke,
- øke størrelsen på en styrke, eller
- øke avstanden eller hastigheten til en styrke.
Enkle maskiner er enheter uten eller veldig få bevegelige deler som gjør arbeidet enklere. Mange av dagens komplekse verktøy er bare kombinasjoner eller mer kompliserte former for de seks enkle maskinene, ifølge University of Colorado i Boulder. For eksempel kan vi feste et langt håndtak til en sjakt for å lage en vindlass, eller bruke en blokk og takling for å dra en last opp en rampe. Selv om disse maskinene kan virke enkle, fortsetter de å gi oss midler til å gjøre mange ting vi aldri kunne gjort uten dem.
Hjul og aksling
Hjulet regnes for å være en av de viktigste oppfinnelsene i verdenshistorien. "Før oppfinnelsen av hjulet i 3500 f.Kr., var mennesker sterkt begrenset i hvor mye ting vi kunne transportere over land, og hvor langt," skrev Natalie Wolchover i Live Science-artikkelen "Topp 10 oppfinnelser som forandret verden." "Hjulvogner letter landbruk og handel ved å muliggjøre transport av varer til og fra markeder, samt lette byrdene for folk som reiser store avstander."
Hjulet reduserer friksjonen som oppstår når en gjenstand beveges over en overflate. "Hvis du legger filskapet ditt på en liten vogn med hjul, kan du redusere kraften du trenger å bruke for å flytte skapet med konstant hastighet," ifølge University of Tennessee.
I sin bok "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), skriver Charlie Samuels, "I deler av verden ble tunge gjenstander som steiner og båter flyttet ved hjelp av tømmerruller. Mens objektet beveget seg fremover, rullet rullene ble tatt bakfra og erstattet foran. " Dette var det første trinnet i utviklingen av hjulet.
Den store nyvinningen var imidlertid å montere et hjul på en aksel. Hjulet kunne festes til en aksel som ble støttet av et lager, eller det kunne gjøres for å vri fritt om akselen. Dette førte til utvikling av vogner, vogner og vogner. I følge Samuels bruker arkeologer utviklingen av et hjul som roterer på en aksel som en indikator på en relativt avansert sivilisasjon. De tidligste bevisene for hjul på aksler er fra omtrent 3200 f.Kr. av sumererne. Kineserne oppfant uavhengig hjulet i 2800 f.Kr.
Tving multiplikatorer
I tillegg til å redusere friksjonen, kan et hjul og aksel også tjene som en kraftmultiplikator, ifølge Science Quest fra Wiley. Hvis et hjul er festet til en aksel, og en kraft brukes til å vri hjulet, er rotasjonskraften eller dreiemomentet på akselen mye større enn kraften som påføres kanten på hjulet. Alternativt kan et langt håndtak festes til akselen for å oppnå en lignende effekt.
De fem andre maskinene hjelper alle mennesker med å øke og / eller omdirigere kraften som påføres et objekt. I sin bok "Moving Big Things" (It's about time, 2009), skriver Janet L. Kolodner og hennes medforfattere, "Maskiner gir mekanisk fordel for å hjelpe til med å bevege gjenstander. Mekanisk fordel er avveiningen mellom kraft og avstand. " I den følgende diskusjonen av de enkle maskinene som øker kraften som brukes på deres inngang, vil vi overse friksjonskraften, fordi friksjonskraften i de fleste av disse tilfellene er veldig liten sammenlignet med inngangs- og utgangskreftene involvert.
Når en kraft påføres over en avstand, produserer den arbeid. Matematisk uttrykkes dette som W = F × D. For å løfte en gjenstand må vi for eksempel gjøre arbeid for å overvinne kraften på grunn av tyngdekraften og bevege objektet oppover. For å løfte en gjenstand som er dobbelt så tung, krever det dobbelt så mye arbeid å løfte den samme avstand. Det tar også dobbelt så mye arbeid å løfte den samme gjenstanden dobbelt så langt. Som matematikken indikerer, er den største fordelen med maskiner at de lar oss gjøre samme mengde arbeid ved å bruke en mindre mengde kraft over større avstand.
Spaken
"Gi meg en spak og et sted å stå, så skal jeg bevege verden." Denne skrytelige påstanden tilskrives den tredje århundre greske filosofen, matematikeren og oppfinneren Archimedes. Selv om det kan være litt av en overdrivelse, uttrykker det kraften i gearing, som i det minste figurativt beveger verden.
Geniet til Archimedes skulle innse at for å oppnå samme mengde eller arbeid, kunne man gjøre en avveining mellom kraft og avstand ved hjelp av en spak. Hans lov om spaken sier: "Størrelser er i likevekt på avstander gjensidig proporsjonalt med vektene", ifølge "Archimedes in the 21st Century," en virtuell bok av Chris Rorres ved New York University.
Spaken består av en lang bjelke og en bærebjelke, eller sving. Den mekaniske fordelen med spaken avhenger av forholdet mellom lengden på bjelken på hver side av bærebjelken.
Si for eksempel at vi vil løfte en 100 lb. (45 kilo) vekt 2 fot (61 centimeter) fra bakken. Vi kan bruke 100 kg. av kraft på vekten i retning oppover i en avstand på 2 fot, og vi har gjort 271 Newton-meter. Imidlertid, hvis vi skulle bruke en 30 fots (9 m) spak med den ene enden under vekten og en 1 fots (30,5 cm) bærebjelke plassert under bjelken 10 fot (3 m) fra vekten, ville vi bare ha å skyve ned i den andre enden med 50 kg. (23 kg) kraft for å løfte vekten. Vi må imidlertid skyve enden av spaken ned 1,2 meter for å løfte vekten 2 meter. Vi har gjort en avveining der vi doblet avstanden vi måtte flytte spaken, men vi reduserte den nødvendige kraften med halvparten for å utføre samme mengde arbeid.
Skråplan
Det skråplanet er ganske enkelt en flat overflate hevet i en vinkel, som en rampe. Ifølge Bob Williams, professor i avdeling for maskinteknikk ved Russ College of Engineering and Technology ved Ohio University, er et skråplan en måte å løfte en last som vil være for tung til å løfte rett opp. Vinkelen (brattet til det skråplanet) bestemmer hvor mye krefter som trengs for å heve vekten. Jo brattere rampen, desto mer kreves det. Det betyr at hvis vi løfter 100 lb. vekt 2 fot ved å rulle den opp en 4-fots rampe, reduserer vi den nødvendige kraften med halvparten mens vi dobler avstanden den må flyttes. Hvis vi skulle bruke en 2-fots (2,4 m) rampe, kunne vi redusere den nødvendige styrken til bare 25 kg. (11,3 kg).
Talje
Hvis vi ønsker å løfte den samme 100 lb. vekt med et tau, kunne vi feste en remskive til en bjelke over vekten. Dette vil la oss trekke ned i stedet for opp på tauet, men det krever fortsatt 100 pund. av makt. Men hvis vi skulle bruke to trinser - en festet til luftbjelken, og den andre festet til vekten - og vi skulle feste den ene enden av tauet til bjelken, løp den gjennom remskiven på vekten og deretter gjennom trinsen på bjelken, ville vi bare trenge i tauet med 50 kg. av kraft for å løfte vekten, selv om vi måtte trekke tauet 4 fot for å løfte vekten 2 fot. Igjen har vi handlet økt avstand for redusert styrke.
Hvis vi ønsker å bruke enda mindre kraft over enda større avstand, kan vi bruke en blokk og takle. I følge kursmateriell fra University of South Carolina, "En blokk og takling er en kombinasjon av trinser som reduserer mengden kraft som kreves for å løfte noe. Avveiningen er at en lengre taulengde er nødvendig for en blokk og takling å flytte noe på samme avstand. "
Så enkle som trinser er, er de fortsatt i bruk i de mest avanserte nye maskinene. For eksempel bruker Hangprinter, en 3D-skriver som kan bygge gjenstander i møbelstørrelse, et system med ledninger og datastyrte trinser forankret til vegger, gulv og tak.
Skru
"En skrue er egentlig et langt skråplan pakket rundt en sjakt, så dens mekaniske fordel kan nås på samme måte som skråningen," ifølge HyperPhysics, et nettsted produsert av Georgia State University. Mange enheter bruker skruer for å utøve en kraft som er mye større enn kraften som brukes for å vri skruen. Disse enhetene inkluderer benkehull og lugmuttere på bilhjul. De får en mekanisk fordel ikke bare fra selve skruen, men også, i mange tilfeller, fra gearingen av et langt håndtak som brukes til å vri skruen.
Kile
I følge New Mexico Institute of Mining and Technology, flytter kiler skråfly som blir kjørt under belastninger for å løfte, eller inn i en last som skal deles eller skilles. En lengre, tynnere kil gir mer mekanisk fordel enn en kortere, bredere kil, men en kil gjør noe annet: Hovedfunksjonen til en kil er å endre retningen på innsatsstyrken. For eksempel, hvis vi ønsker å dele opp en tømmerstokk, kan vi føre en kil nedover i enden av tømmerstokken med stor kraft ved hjelp av en slegge, og kilen vil omdirigere denne kraften utover, slik at treet splittes. Et annet eksempel er en dørstopp, der kraften som brukes til å skyve den under kanten av døren blir overført nedover, noe som resulterer i friksjonskraft som motstår å gli over gulvet.
Finn noen morsomme aktiviteter som involverer enkle maskiner på Museum of Science and Industry i Chicago.
