Gennem historien har mennesker udviklet flere enheder for at gøre arbejdet lettere. Den mest bemærkelsesværdige af disse er kendt som de "seks enkle maskiner": hjulet og akslen, håndtaget, det skrå plan, remskiven, skruen og kilen, skønt de sidstnævnte tre faktisk kun er udvidelser eller kombinationer af den første tre.
Fordi arbejde er defineret som kraft, der virker på et objekt i bevægelsesretningen, gør en maskine arbejdet lettere at udføre ved at udføre en eller flere af følgende funktioner, ifølge Jefferson Lab:
- overføre en styrke fra et sted til et andet,
- ændre retningen på en styrke,
- øge størrelsen af en styrke, eller
- øge afstandens eller hastigheden for en styrke.
Enkle maskiner er enheder uden eller meget få bevægelige dele, der gør arbejdet lettere. Mange af dagens komplekse værktøjer er bare kombinationer eller mere komplicerede former for de seks enkle maskiner, ifølge University of Colorado i Boulder. For eksempel kan vi muligvis fastgøre et langt håndtag til en skaft for at fremstille en vinduesglas, eller bruge en blok og tackle til at trække en last op ad en rampe. Selvom disse maskiner kan virke enkle, fortsætter de med at give os midlerne til at gøre mange ting, som vi aldrig kunne gøre uden dem.
Hjul og aksel
Hjulet betragtes som en af de mest betydningsfulde opfindelser i verdenshistorien. "Før opfindelsen af hjulet i 3500 f.Kr. var mennesker meget begrænsede i, hvor meget ting vi kunne transportere over land, og hvor langt," skrev Natalie Wolchover i Live Science-artiklen "Top 10 opfindelser, der ændrede verden." "Hjulvogne letter landbrug og handel ved at muliggøre transport af varer til og fra markeder samt lette byrderne for folk, der rejser store afstande."
Hjulet reducerer friktionen kraftigt, når en genstand flyttes over en overflade. "Hvis du lægger dit filskab på en lille vogn med hjul, kan du reducere den kraft, du har brug for, for at bevæge skabet med konstant hastighed i høj grad," ifølge University of Tennessee.
I sin bog "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010) skriver Charlie Samuels, "I dele af verden blev tunge genstande som klipper og både flyttet ved hjælp af logruller. Da objektet bevægede sig fremad, rullede rullerne blev taget bagfra og udskiftet foran. " Dette var det første skridt i udviklingen af hjulet.
Den store nyskabelse var dog at montere et hjul på en aksel. Hjulet kunne fastgøres til en aksel, der blev understøttet af et leje, eller det kunne fås til at dreje frit omkring akslen. Dette førte til udvikling af vogne, vogne og vogne. Ifølge Samuels bruger arkæologer udviklingen af et hjul, der roterer på en aksel som en indikator for en relativt avanceret civilisation. Det tidligste bevis for hjul på aksler er fra ca. 3200 B.C. af sumererne. Kineserne opfandt uafhængigt hjulet i 2800 f.Kr.
Tving multiplikatorer
Ud over at reducere friktion kan et hjul og aksel også fungere som en kraftmultiplikator, ifølge Science Quest fra Wiley. Hvis et hjul er fastgjort til en aksel, og en kraft bruges til at dreje hjulet, er rotationskraften eller drejningsmomentet på akslen meget større end den kraft, der påføres kanten af hjulet. Alternativt kan et langt håndtag fastgøres til akslen for at opnå en lignende effekt.
De andre fem maskiner hjælper alle mennesker med at øge og / eller omdirigere den kraft, der påføres et objekt. I deres bog "Moving Big Things" (It's about time, 2009) skriver Janet L. Kolodner og hendes medforfattere, "Maskiner giver mekanisk fordel til at hjælpe med at bevæge objekter. Mekanisk fordel er afvekslingen mellem kraft og afstand. " I den følgende diskussion af de enkle maskiner, der øger den kraft, der anvendes på deres input, ignorerer vi friktionskraften, fordi i de fleste af disse tilfælde er friktionskraften meget lille sammenlignet med de involverede input- og output-kræfter.
Når en kraft påføres over en afstand, producerer den arbejde. Matematisk udtrykkes dette som W = F × D. For at løfte et objekt skal vi f.eks. Arbejde for at overvinde kraften på grund af tyngdekraften og bevæge objektet opad. For at løfte et objekt, der er dobbelt så tungt, kræver det dobbelt så meget arbejde at løfte det samme afstand. Det kræver også dobbelt så meget arbejde at løfte det samme objekt dobbelt så langt. Som vist i matematikken er den største fordel ved maskiner, at de giver os mulighed for at udføre den samme mængde arbejde ved at anvende en mindre mængde kraft over en større afstand.
Håndtag
"Giv mig en håndtag og et sted at stå, så flytter jeg verden." Denne prægtige påstand tilskrives den tredje århundredes græske filosof, matematiker og opfinder Archimedes. Selvom det måske er lidt af en overdrivelse, udtrykker det virkningen af gearing, som i det mindste billedligt bevæger verden.
Arkimedes geni var at indse, at man for at opnå den samme mængde eller arbejde kunne foretage en afvejning mellem kraft og afstand ved hjælp af en håndtag. Hans lov om håndtaget siger, "Størrelser er i ligevægt i afstande, der er gensidigt proportionale med deres vægt," ifølge "Archimedes i det 21. århundrede," en virtuel bog af Chris Rorres ved New York University.
Håndtaget består af en lang bjælke og et hjul eller en drejepunkt. Den mekaniske fordel ved håndtaget afhænger af forholdet mellem længderne af bjælken på hver side af hjulet.
For eksempel siger vi, at vi ønsker at løfte en 100 lb. (45 kg) vægt 2 fod (61 centimeter) fra jorden. Vi kan bruge 100 kg. af kraft på vægten i opadgående retning i en afstand af 2 fod, og vi har gjort 200 pund fødder (271 Newton-meter) arbejde. Hvis vi imidlertid skulle bruge en 30-fods (9 m) håndtag med den ene ende under vægten og en 1-fods (30,5 cm) bænke placeret under bjælken 10 fod (3 m) fra vægten, ville vi kun have at skubbe ned i den anden ende med 50 kg. (23 kg) kraft for at løfte vægten. Vi bliver dog nødt til at skubbe enden af håndtaget ned 1,2 m for at løfte vægten 2 fod. Vi har lavet en afvejning, hvor vi fordoblede afstanden, vi måtte flytte grebet, men vi reducerede den nødvendige styrke med halvdelen for at udføre den samme mængde arbejde.
Skråplan
Det skrå plan er simpelthen en plan overflade hævet i en vinkel, ligesom en rampe. Ifølge Bob Williams, en professor i afdelingen for maskinteknik ved Russ College of Engineering and Technology ved Ohio University, er et skråt plan en måde at løfte en belastning, der ville være for tung til at løfte lige op. Vinklen (skråplanets skråplan) bestemmer, hvor stor indsats der er behov for for at hæve vægten. Jo brattere rampen er, desto mere kræves det. Det betyder, at hvis vi løfter vores 100 lb. vægt 2 fod ved at rulle den op på en 4-fods rampe, vi reducerer den nødvendige kraft med halvdelen, mens vi fordoble afstanden, den skal flyttes. Hvis vi skulle bruge en 8-fods (2,4 m) rampe, kunne vi reducere den nødvendige styrke til kun 25 kg. (11,3 kg).
Remskive
Hvis vi vil løfte den samme 100 lb. vægt med et reb, kunne vi fastgøre en remskive til en bjælke over vægten. Dette vil lade os trække ned i stedet for op på rebet, men det kræver stadig 100 kg. af kraft. Men hvis vi skulle bruge to remskiver - den ene er fastgjort til hovedbjælken og den anden fastgjort til vægten - og vi skulle fastgøre den ene ende af rebet til bjælken, køres den gennem remskiven på vægten og derefter gennem remskiven på bjælken, ville vi kun trække i rebet med 50 kg. kraft for at løfte vægten, selvom vi skulle trække rebet 4 fødder for at løfte vægten 2 fødder. Igen har vi handlet øget afstand for nedsat styrke.
Hvis vi vil bruge endnu mindre kraft over en endnu større afstand, kan vi bruge en blok og tackle. I henhold til kursusmateriale fra University of South Carolina, "En blokering og tackle er en kombination af remskiver, der reducerer den krævede mængde kræft for at løfte noget. Afvejningen er, at der kræves en længere reb til en blok og tackle at flytte noget på samme afstand. "
Så enkle som remskiver er, de finder stadig anvendelse i de mest avancerede nye maskiner. For eksempel anvender Hangprinter, en 3D-printer, der kan bygge objekter i møbelstørrelse, et system med ledninger og computerstyrede remskiver, der er forankret til væggene, gulvet og loftet.
Skrue
"En skrue er i det væsentlige et langt hældningsplan, der er viklet omkring en skaft, så dens mekaniske fordel kan nås på samme måde som hældningen," ifølge HyperPhysics, et websted produceret af Georgia State University. Mange enheder bruger skruer til at udøve en kraft, der er meget større end den kraft, der bruges til at dreje skruen. Disse enheder inkluderer bænkskruer og lugmøtrikker på bilhjul. De får en mekanisk fordel ikke kun af selve skruen, men også i mange tilfælde fra gearingen af et langt håndtag, der bruges til at dreje skruen.
Wedge
Ifølge New Mexico Institute of Mining and Technology, "kiler flytter skråplan, der drives under belastninger for at løfte, eller ind i en last, der skal opdeles eller adskilles." En længere, tyndere kile giver mere mekanisk fordel end en kortere, bredere kile, men en kilde gør noget andet: En kiles hovedfunktion er at ændre indgangskraftens retning. For eksempel, hvis vi ønsker at opdele en log, kan vi køre en kile nedad i enden af loggen med stor kraft ved hjælp af en slædehammer, og kilen vil omdirigere denne kraft udad, hvilket får træet til at splitte. Et andet eksempel er en dørstop, hvor den kraft, der bruges til at skubbe den ind under døren, overføres nedad, hvilket resulterer i friktionskraft, der modstår at glide hen over gulvet.
Find nogle sjove aktiviteter, der involverer enkle maskiner på Museum of Science and Industry i Chicago.
