De-a lungul istoriei, oamenii au dezvoltat mai multe dispozitive pentru a ușura munca. Cele mai notabile dintre acestea sunt cunoscute sub numele de „șase mașini simple”: roata și osia, maneta, planul înclinat, scripete, șurub și pană, deși ultimele trei sunt de fapt doar extensii sau combinații ale primului Trei.
Deoarece munca este definită ca forța care acționează asupra unui obiect în direcția mișcării, o mașină face munca mai ușoară prin îndeplinirea uneia sau a mai multor funcții următoare, conform Jefferson Lab:
- transferul unei forțe dintr-un loc în altul,
- schimbarea direcției unei forțe,
- creșterea mărimii unei forțe sau
- creșterea distanței sau vitezei unei forțe.
Mașinile simple sunt dispozitive fără piese mobile sau foarte puține, care ușurează munca. Multe dintre instrumentele complexe de astăzi sunt doar combinații sau forme mai complicate ale celor șase mașini simple, potrivit Universității din Colorado din Boulder. De exemplu, am putea atașa un mâner lung la un arbore pentru a realiza o rază de vânt sau am folosi un bloc și o abordare pentru a trage o sarcină în sus. În timp ce aceste aparate pot părea simple, ele continuă să ne ofere mijloacele de a face multe lucruri pe care nu le-am putea face fără ele.
Roata si ax
Roata este considerată una dintre cele mai semnificative invenții din istoria lumii. „Înainte de inventarea roții în anul 3500 î.C., oamenii au fost sever limitați în cât de multe lucruri am putea transporta pe uscat și cât de departe”, a scris Natalie Wolchover în articolul Live Science „Top 10 invenții care au schimbat lumea”. "Cărucioarele cu roți au facilitat agricultura și comerțul, permițând transportul mărfurilor către și de pe piețe, precum și ușurând sarcinile oamenilor care călătoresc pe distanțe mari."
Roata reduce foarte mult frecarea întâlnită atunci când un obiect este mutat pe o suprafață. „Dacă așezați dulapul dvs. cu un coș mic cu roți, puteți reduce foarte mult forța pe care trebuie să o aplicați pentru a muta dulapul cu viteză constantă”, potrivit Universității din Tennessee.
În cartea sa „Ancient Science: Prehistory-AD 500” (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels scrie, „În anumite părți ale lumii, obiecte grele, cum ar fi roci și bărci, au fost mutate folosind role de bușteni. Pe măsură ce obiectul a înaintat, rolele au fost luate din spate și înlocuite în față ". Acesta a fost primul pas în dezvoltarea roții.
Marea inovație, însă, a fost în montarea unei roți pe un ax. Roata putea fi atașată de un ax care era susținut de un rulment sau ar putea fi făcută să se întoarcă liber în jurul axei. Acest lucru a dus la dezvoltarea de căruțe, vagoane și carele. Potrivit lui Samuels, arheologii folosesc dezvoltarea unei roți care se rotește pe o axă ca indicator al unei civilizații relativ avansate. Cea mai timpurie dovadă a roților pe osii este de la aproximativ 3200 B.C. de către sumerieni. Chinezii au inventat independent roata în 2800 î.C.
Înmulțitori de forță
În plus față de reducerea frecării, o roată și o osie pot servi de asemenea ca un multiplicator de forță, potrivit Science Quest de la Wiley. Dacă o roată este atașată la un ax și o forță este utilizată pentru a roti roata, forța de rotație sau cuplul pe ax este mult mai mare decât forța aplicată pe marginea roții. În mod alternativ, un ax lung poate fi atașat pe osie pentru a obține un efect similar.
Celelalte cinci utilaje ajută oamenii să crească și / sau să redirecționeze forța aplicată asupra unui obiect. În cartea lor "Moving Big Things" (E timpul, 2009), Janet L. Kolodner și coautorii ei scriu, "Mașinile oferă un avantaj mecanic pentru a ajuta la mișcarea obiectelor. Avantajul mecanic este compromisul dintre forță și distanță. " În discuția următoare despre mașinile simple care cresc forța aplicată la intrarea lor, vom neglija forța de frecare, deoarece în majoritatea acestor cazuri, forța de frecare este foarte mică în comparație cu forțele de intrare și ieșire implicate.
Când o forță este aplicată pe distanță, ea produce muncă. Din punct de vedere matematic, aceasta este exprimată ca W = F × D. De exemplu, pentru a ridica un obiect, trebuie să lucrăm pentru a depăși forța datorată gravitației și a muta obiectul în sus. Pentru a ridica un obiect care este de două ori mai greu, este nevoie de două ori mai multă muncă pentru a-l ridica la aceeași distanță. De asemenea, este nevoie de două ori mai multă muncă pentru a ridica același obiect de două ori mai departe. După cum indică matematica, principalul beneficiu al utilajelor este că acestea ne permit să facem aceeași cantitate de muncă, aplicând o cantitate mai mică de forță pe o distanță mai mare.
Pârghie
„Dă-mi o pârghie și un loc în care să stau și voi muta lumea”. Această afirmație lăudabilă este atribuită filosofului grec, matematician și inventator Arhimede din secolul al III-lea. Deși poate fi un pic exagerat, ea exprimă puterea de pârghie, care, cel puțin la figurat, mișcă lumea.
Geniul lui Arhimede a fost să realizeze că pentru a realiza aceeași cantitate sau muncă, se poate face o întrerupere între forță și distanță folosind o pârghie. Legea sa din Lever spune că „Magnitudinile sunt în echilibru la distanțe reciproc proporționale cu greutățile lor”, potrivit „Arhimede în secolul XXI”, o carte virtuală a lui Chris Rorres de la Universitatea New York.
Maneta constă dintr-un fascicul lung și un fulcru, sau pivot. Avantajul mecanic al manetei depinde de raportul dintre lungimile fasciculului de o parte și de alta a fulcrului.
De exemplu, să zicem că vrem să ridicăm un 100 lb. (45 de kilograme) cântărește 61 de centimetri de 2 metri. Putem exercita 100 kg. de forță asupra greutății în direcția ascendentă pentru o distanță de 2 metri și am făcut 200 de lire-metri (271 de metri Newton) de lucru. Cu toate acestea, dacă ar fi să folosim o manetă de 30 m (9 m) cu un capăt sub greutate și un fulcru de 1 m (30,5 cm) plasat sub grinda la 10 metri (3 m) de greutate, am avea doar pentru a împinge în jos pe celălalt capăt cu 50 kg. (23 kg) de forță pentru a ridica greutatea. Cu toate acestea, va trebui să împingem capătul pârghiei în jos de 1,2 m pentru a ridica greutatea de 2 metri. Am făcut un compromis în care am dublat distanța pe care am avut-o pentru a muta pârghia, dar am redus forța necesară la jumătate pentru a face aceeași cantitate de muncă.
Plan înclinat
Planul înclinat este pur și simplu o suprafață plană ridicată într-un unghi, ca o ramă. Potrivit lui Bob Williams, profesor la departamentul de inginerie mecanică din cadrul Colegiului Russ de Inginerie și Tehnologie de la Universitatea Ohio, un avion înclinat este un mod de a ridica o sarcină care ar fi prea grea pentru a ridica în sus. Unghiul (abruptul planului înclinat) determină cât de mult efort este necesar pentru a ridica greutatea. Cu cât rampa este mai abruptă, cu atât este nevoie de mai mult efort. Asta înseamnă că dacă ne ridicăm 100-lb. cântărim 2 metri rulând-o pe o rampă de 4 metri, reducem forța necesară la jumătate, dublând distanța pe care trebuie să o mute. Dacă ar fi să folosim o rampă de 2,8 m (8 ft), am putea reduce forța necesară la doar 25 lbs. (11,3 kg).
Scripete
Dacă vrem să ridicăm același 100 de lb. greutate cu o frânghie, am putea atașa un scripetă la un fascicul deasupra greutății. Acest lucru ne-ar permite să tragem în jos în sus pe frânghie, dar totuși necesită 100 de kilograme. de forță. Cu toate acestea, dacă ar fi să folosim două scripete - unul atașat la grinda deasupra capului și celălalt atașat la greutate - și ar trebui să atașăm un capăt al frânghiei la grindă, să-l parcurgem pe scripete pe greutate și apoi prin scripetele de pe grindă, ar trebui să tragem pe frânghie doar cu 50 kg. de forță pentru a ridica greutatea, deși ar trebui să tragem frânghia de 4 picioare pentru a ridica greutatea de 2 metri. Din nou, am tranzacționat distanța crescută pentru forța redusă.
Dacă dorim să folosim și mai puțin forța pe o distanță și mai mare, putem folosi un bloc și să abordăm. Conform materialelor de la Universitatea din Carolina de Sud, "Un bloc și o abordare este o combinație de scripete care reduce cantitatea de forță necesară pentru a ridica ceva. Compromisul este că este necesară o lungime mai lungă de frânghie pentru un bloc și o abordare a muta ceva la aceeași distanță ".
La fel de simple pe cât sunt scripetele, acestea încă găsesc folosire în cele mai avansate mașini noi. De exemplu, Hangprinter, o imprimantă 3D care poate construi obiecte de dimensiuni de mobilier, folosește un sistem de fire și scripete controlate de computer, ancorate la pereți, podea și tavan.
Şurub
"Un șurub este, în esență, un plan de înclinare lung înfășurat în jurul unui ax, astfel încât avantajul său mecanic poate fi abordat în același mod ca înclinarea", potrivit HyperPhysics, un site web produs de Universitatea de Stat din Georgia. Multe dispozitive folosesc șuruburi pentru a exercita o forță care este mult mai mare decât forța folosită pentru a întoarce șurubul. Aceste dispozitive includ viciile de banc și piulițele de pe roțile automobilelor. Ele obțin un avantaj mecanic nu numai din șurubul în sine, ci și, în multe cazuri, din pârghia unui mâner lung folosit la rotirea șurubului.
Pană
Potrivit Institutului Minier și Tehnologie din New Mexico, „Panile sunt în mișcare de avioane înclinate care sunt conduse sub sarcini pentru ridicare sau într-o sarcină pentru a se despica sau separa”. O pană mai lungă și mai subțire oferă mai mult avantaj mecanic decât o pană mai scurtă și mai largă, dar o pană face altceva: Funcția principală a unei pene este de a schimba direcția forței de intrare. De exemplu, dacă dorim să împărțim un jurnal, putem conduce o pană în jos în capătul jurnalului cu o forță mare folosind un șanț, iar panza va redirecționa această forță spre exterior, determinând împărțirea lemnului. Un alt exemplu este un prag de ușă, unde forța folosită pentru a o împinge sub marginea ușii este transferată în jos, rezultând o forță de frecare care rezistă să alunece pe podea.
Găsiți câteva activități distractive care implică mașini simple la Muzeul Științei și Industriei din Chicago.
