През цялата история хората са разработили няколко устройства, за да улеснят работата. Най-забележителните от тях са известни като "шестте прости машини": колелото и оста, лостът, наклонената равнина, шайбата, винтът и клинът, въпреки че последните три всъщност са само разширения или комбинации от първата три.
Тъй като работата се дефинира като сила, действаща върху обект в посока на движение, машината улеснява работата, като изпълнява една или повече от следните функции, според Jefferson Lab:
- прехвърляне на сила от едно място на друго,
- промяна на посоката на сила,
- увеличаване на силата на сила, или
- увеличаване на разстоянието или скоростта на сила.
Простите машини са устройства с никакви или много малко подвижни части, които улесняват работата. Много от съвременните сложни инструменти са просто комбинации или по-сложни форми на шестте прости машини, според Университета на Колорадо в Боулдър. Например, може да прикрепим дълга дръжка към вал, за да направим намотка, или да използваме блок и приспособление, за да издърпаме товар до рампата. Въпреки че тези машини може да изглеждат прости, те продължават да ни предоставят средства да правим много неща, които никога не бихме могли да направим без тях.
Колело и ос
Колелото се счита за едно от най-значимите изобретения в историята на света. „Преди изобретяването на колелото през 3500 г. пр.н.е., хората бяха силно ограничени в това колко неща можем да транспортираме над сушата и колко далеч“, пише Натали Уолховър в статията на Live Science „Топ 10 изобретения, които промениха света“. "Количките с колела улесниха селското стопанство и търговията, като позволиха транспортирането на стоки до и от пазарите, както и облекчаването на тежестта на хората, пътуващи на големи разстояния."
Колелото значително намалява триенето, което се наблюдава при преместване на предмет върху повърхност. „Ако поставите вашия файлов шкаф в малка количка с колела, можете значително да намалите силата, която трябва да приложите, за да местите шкафа с постоянна скорост“, според университета в Тенеси.
В книгата си "Древна наука: Праистория-AD 500" (Gareth Stevens, 2010) Чарли Самуелс пише: "В някои части на света тежки предмети като скали и лодки се движеха с помощта на ролкови логове. Докато обектът се движеше напред, ролките бяха взети отзад и заменени отпред. " Това беше първата стъпка в развитието на колелото.
Голямата иновация обаче беше в монтирането на колело на оста. Колелото може да бъде прикрепено към оста, поддържана от лагер, или може да бъде направено да се върти свободно около оста. Това доведе до развитието на каруци, каруци и колесници. Според Самуелс археолозите използват разработката на колело, което се върти на ос като показател за сравнително напреднала цивилизация. Най-ранните доказателства за колела на оси са от около 3200 Б.С. от шумерите. Китайците независимо изобретили колелото през 2800 г. пр.н.е.
Силови умножители
В допълнение към намаляването на триенето, колело и ос също могат да служат като усилвател на силата, според Science Quest от Wiley. Ако колело е прикрепено към ос и се използва сила за завъртане на колелото, въртящата сила или въртящият момент върху оста е много по-голяма от силата, приложена към джантата на колелото. Като алтернатива може да се прикрепи дълга дръжка към оста, за да се постигне подобен ефект.
Останалите пет машини помагат на човека да увеличи и / или да пренасочи силата, приложена към обект. В книгата си "Преместване на големи неща" (Време е за 2009 г.) Джанет Л. Колоднер и нейните съавтори пишат: "Машините осигуряват механично предимство за подпомагане на движещите се обекти. Механичното предимство е компромисът между сила и разстояние. " В следващото обсъждане на прости машини, които увеличават силата, приложена към техния вход, ще пренебрегнем силата на триене, тъй като в повечето от тези случаи силата на триене е много малка в сравнение с включените входни и изходни сили.
Когато се прилага сила на разстояние, тя произвежда работа. Математически това се изразява като W = F × D. Например, за да повдигнем предмет, трябва да свършим работа за преодоляване на силата поради гравитацията и да преместим обекта нагоре. За да повдигнете обект, който е два пъти по-тежък, е необходимо два пъти повече работа, за да го повдигнете на същото разстояние. Освен това е необходимо два пъти повече работа, за да се повдигне един и същ обект два пъти повече. Както е посочено от математиката, основното предимство на машините е, че ни позволяват да вършим същото количество работа, като прилагаме по-малко количество сила на по-голямо разстояние.
Лост
"Дайте ми лост и място, където да стоя, и аз ще преместя света." Това хвалебно твърдение се приписва на гръцкия философ, математик и изобретател от третия век Архимед. Макар че може да е малко преувеличение, това наистина изразява силата на лоста, който, поне образно казано, движи света.
Геният на Архимед беше да осъзнае, че за да се постигне същата сума или работа, човек може да направи компромис между сила и разстояние с помощта на лост. Законът му за лоста гласи: "Величините са в равновесие на разстояния, пропорционално пропорционални на техните тегла", според "Архимед в 21 век", виртуална книга на Крис Рорес от Нюйоркския университет.
Лостът се състои от дълъг лъч и опорна точка или въртене. Механичното предимство на лоста зависи от съотношението на дължините на гредата от двете страни на опорната точка.
Например, да кажем, че искаме да вдигнем 100 фунта. (45 килограма) тегло 2 фута (61 сантиметра) от земята. Можем да упражним 100 паунда. на сила върху теглото в посока нагоре за разстояние 2 фута, и ние сме свършили 200 фунта (271 нютон-метра) работа. Ако обаче използвахме лост с дължина 9 фута с един край под тежестта и 1 фут (30,5 см) опорна точка, поставена под гредата на 10 фута (3 м) от теглото, щяхме да имаме само да натиснете на другия край с 50 lbs. (23 кг) сила за вдигане на тежестта. Въпреки това трябва да натиснем края на лоста надолу (1,2 м) надолу, за да вдигнем тежестта 2 фута. Направихме компромис, в който удвоихме разстоянието, което трябваше да преместим лоста, но намалихме нужната сила наполовина, за да извършим същото количество работа.
Наклонена равнина
Наклонената равнина е просто равна повърхност, повдигната под ъгъл, като рампа. Според Боб Уилямс, професор в катедрата по машиностроене в Руския колеж по инженерно-технологичен университет в Охайо, наклонената равнина е начин за повдигане на товар, който би бил твърде тежък, за да се повдигнете право нагоре. Ъгълът (стръмността на наклонената равнина) определя колко усилия са необходими за повдигане на тежестта. Колкото по-стръмна е рампата, толкова повече усилия се изискват. Това означава, че ако вдигнем нашите 100 фунта. тегло 2 фута, като го навиваме на 4-крачна рампа, намаляваме необходимата сила наполовина, като удвояваме разстоянието, което трябва да бъде преместено. Ако използвахме 8-футова (2,4 м) рампа, бихме могли да намалим необходимата сила до само 25 фунта. (11,3 кг).
Ролка
Ако искаме да вдигнем същите тези 100 фунта. тегло с въже, можем да прикрепим ролка към греда над тежестта. Това ще ни позволи да се издърпаме вместо нагоре по въжето, но все пак са необходими 100 паунда. на сила. Ако обаче използвахме две шайби - едната е прикрепена към гредата, а другата е прикрепена към тежестта - и трябваше да прикрепим единия край на въжето към гредата, да го прокараме през макарата върху тежестта и след това през шайбата на гредата, ще трябва да дърпаме само въжето с 50 фунта. на сила, за да вдигнем тежестта, въпреки че ще трябва да дърпаме въжето 4 фута, за да повдигнем тежестта 2 фута. Отново изтъргувахме увеличено разстояние за намалена сила.
Ако искаме да използваме още по-малко сила на още по-голямо разстояние, можем да използваме блок и да се справим. Според учебните материали от Университета в Южна Каролина, „Блокът и захващането е комбинация от шайби, която намалява количеството сила, необходима за повдигане на нещо. да се движи нещо на същото разстояние. "
Колкото и лесни са шайбите, те все още намират приложение в най-модерните нови машини. Например, Hangprinter, 3D принтер, който може да изгражда обекти с размер на мебели, използва система от проводници и компютърно контролирани шайби, закотвени към стените, пода и тавана.
Винт
"Винтът е по същество дълъг наклон, обвит около вал, така че неговото механично предимство може да се подходи по същия начин като наклона", според HyperPhysics, уебсайт, създаден от Джорджия. Много устройства използват винтове, за да упражнят сила, която е много по-голяма от силата, използвана за завъртане на винта. Тези устройства включват пейки пороци и гайки на багажника на автомобилни колела. Те получават механично предимство не само от самия винт, но и в много случаи от лоста на дълга дръжка, използвана за завъртане на винта.
Клин
Според Института по минно дело и технология в Ню Мексико "Клинове се движат наклонени самолети, които се задвижват под товари за повдигане или в товар, за да се разделят или разделят." По-дългият, по-тънък клин дава по-механично предимство от по-къс, по-широк клин, но клинът прави нещо друго: Основната функция на клина е да променя посоката на входната сила. Например, ако искаме да разцепим дървен труп, можем да закараме клин надолу в края на трупа с голяма сила, използвайки кувалда и клинът ще пренасочи тази сила навън, причинявайки раздробяване на дървесината. Друг пример е стоп на вратата, при който силата, използвана за натискането му под ръба на вратата, се прехвърля надолу, което води до сила на триене, която устоява на плъзгане по пода.
Намерете няколко забавни дейности, включващи прости машини, в Музея на науката и индустрията в Чикаго.
