Inimesed on töö hõlbustamiseks läbi ajaloo arendanud mitmeid seadmeid. Neist kõige tähelepanuväärsemad on tuntud kui "kuus lihtsat masinat": ratas ja telg, kang, kaldtasapind, rihmaratas, kruvi ja kiil, kuigi viimased kolm on tegelikult vaid esimese pikendused või kombinatsioonid. kolm.
Kuna tööd määratletakse kui objektile liikumissuunas mõjuvat jõudu, teeb masin Jefferson Labi sõnul masina töö hõlpsamaks, täites ühe või mitu järgmistest funktsioonidest:
- jõu ülekandmine ühest kohast teise,
- jõu suuna muutmine,
- suurendades jõu suurust või
- jõu kauguse või kiiruse suurendamine.
Lihtsad masinad on seadmed, millel pole liikuvaid osi või on neid väga vähe, mis hõlbustavad tööd. Boulderi Colorado ülikooli andmetel on paljud tänapäeva keerulised tööriistad lihtsalt kuue lihtsa masina kombinatsioonid või keerukamad vormid. Näiteks võime esiklaasi valmistamiseks võlli külge kinnitada pika käepideme või kasutada koorma tõmbamiseks kaldteed ploki ja käepidemega. Ehkki need masinad võivad tunduda lihtsad, pakuvad nad meile jätkuvalt vahendeid paljude asjade tegemiseks, mida me ilma nendeta kunagi teha ei saaks.
Ratas ja telg
Ratas peetakse maailma ajaloo üheks kõige olulisemaks leiutiseks. "Enne ratta leiutamist aastal 3500 B.C. olid inimesed tõsiselt piiratud sellega, kui palju asju me saaksime maa peal vedada ja kui kaugele," kirjutas Natalie Wolchover Live Science'i artiklis "10 parimat leiutist, mis muutsid maailma". "Ratastega kärud hõlbustasid põllumajandust ja kaubandust, võimaldades kaupa transportida turgudele ja sealt välja, samuti kergendades suurte vahemaade tagant sõitvate inimeste koormust."
Ratas vähendab oluliselt hõõrdumist, mis tekib objekti viimisel pinnale. "Kui paned oma failikapi väikesele ratastega vankrile, saate oluliselt vähendada jõudu, mida vajate kapi püsikiirusel liigutamiseks," ütles Tennessee ülikooli andmetel.
Charlie Samuels kirjutab oma raamatus "Iidne teadus: eelajalugu-AD 500" (Gareth Stevens, 2010): "Maailma teisaldati raskete esemete, näiteks kivide ja paatide, palgirullide abil. Kui objekt edasi liikus, rullid võeti tagant ja vahetati ette. " See oli esimene samm ratta väljatöötamisel.
Suur uuendus oli aga ratta teljele kinnitamine. Ratas võis olla kinnitatud telje külge, mida toetas laager, või selle võis pöörata telje suhtes vabalt pöörlema. See viis vankrite, vagunite ja vankrite arendamiseni. Samuelsi sõnul kasutavad arheoloogid teljel pöörleva ratta väljatöötamist suhteliselt arenenud tsivilisatsiooni näitajana. Varasemad tõendid telgede rataste kohta on umbes 3200 B.C. sumerite poolt. Hiinlased leiutasid ratta iseseisvalt 2800 B.C.
Sund kordajad
Wiley väljaande Science Quest andmetel võivad ratas ja telg lisaks hõõrdumise vähendamisele toimida ka jõu kordajana. Kui telje külge on kinnitatud ratas ja ratta pööramiseks kasutatakse jõudu, on telje pöörlemisjõud või pöördemoment palju suurem kui ratta veljele rakendatav jõud. Sarnase efekti saavutamiseks võib telje külge kinnitada ka pika käepideme.
Kõik ülejäänud viis masinat aitavad inimestel objektile rakendatavat jõudu suurendada ja / või suunata. Janet L. Kolodner ja tema kaasautorid kirjutavad oma raamatus "Suurte asjade liigutamine" (see on umbes aeg, 2009): "Masinad pakuvad mehaanilisi eeliseid liikuvate objektide abistamiseks. Mehaaniline eelis on jõu ja kauguse vaheline kompromiss. " Järgnevas arutelus lihtsate masinate üle, mis suurendavad nende sisendile rakendatavat jõudu, jätame hõõrdejõu tähelepanuta, kuna enamikul neist juhtudest on hõõrdejõud väga väike, võrreldes sisend- ja väljundjõududega.
Kui jõud rakendatakse kaugele, annab see tööd. Matemaatiliselt väljendatakse seda kui W = F × D. Näiteks objekti tõstmiseks peame tegema tööd gravitatsiooni mõjul tekkiva jõu ületamiseks ja objekti ülespoole nihutamiseks. Kaks korda raskema eseme tõstmiseks kulub selle sama vahemaa tõstmiseks kaks korda rohkem tööd. Sama objekti kaks korda kaugemale tõstmiseks kulub ka kaks korda rohkem tööd. Nagu matemaatika osutab, on masinate peamine eelis see, et need võimaldavad meil teha sama palju tööd, rakendades väiksemat jõudu suurema vahemaa tagant.
Hoob
"Andke mulle kang ja koht, kus seista, ja ma liigutan maailma." See uhke väide on omistatud kolmanda sajandi kreeka filosoofile, matemaatikule ja leiutajale Archimedesele. Ehkki see võib olla pisut liialdus, väljendab see siiski võimenduse jõudu, mis vähemalt piltlikult öeldes kogu maailma liigutab.
Archimedese geenius oli mõista, et sama hulga või töö saavutamiseks võiks kangi abil kompenseerida jõu ja vahemaa vahel. Tema kangi seaduses öeldakse, et "magnituudid on tasakaalus vahemaades, mis on vastastikku võrdelised nende kaaluga," vastavalt 21. sajandi Archimedese andmetele, Chris Rorrese virtuaalne raamat New Yorgi ülikoolist.
Hoob koosneb pikast valgusvihust ja tugipunktist ehk pöördepunktist. Hoova mehaaniline eelis sõltub tala pikkuse suhtest toetuspunkti mõlemal küljel.
Näiteks ütleme, et tahame tõsta 100 naela. (45 kilogrammi) kaalu 2 jalga (61 sentimeetrit) maapinnast. Me võime avaldada 100 naela. jõu raskusele ülespoole 2 jala kaugusel ja oleme teinud tööd 200 naela-jalga (271 njuutonit). Kui aga kasutaksime 30-jalast (9 m) kangi, mille üks ots oleks raskuse all, ja 1-jalga (30,5 cm) tugipunkti, mis asetseks tala alla 10 jalga (3 m) raskusest, oleks meil ainult teisest otsast 50 naelaga alla suruda. (23 kg) jõudu kaalu tõstmiseks. Kuid kaalu tõstmiseks peaksime hoova otsa lükkama 4 jalga (1,2 m) allapoole. Oleme teinud kompromissi, kus kahekordistasime kangi liigutamiseks vajalikku vahemaad, kuid sama palju töö tegemiseks vähendasime vajalikku jõudu poole võrra.
Kaldus lennuk
Kaldtasapind on lihtsalt tasapind, mis on üles tõstetud nurga all, nagu kaldtee. Ohio ülikooli Russ inseneri- ja tehnoloogiakõrgkooli masinaehituse osakonna professori Bob Williamsi sõnul on kaldtasapind viis koorma tõstmiseks, mis oleks liiga raske otse üles tõsta. Nurk (kaldu tasapinna järsus) määrab, kui palju raskuse tõstmiseks on vaja pingutada. Mida järsem on kaldtee, seda rohkem on vaja vaeva näha. See tähendab, et kui me tõstame oma 100 naela. Kaaluta 2 jalga, veeretades seda 4-jalast kaldteed üles, vähendame vajalikku jõudu poole võrra, kahekordistades selle vajalikku kaugust. Kui kasutaksime 8-jalast (2,4 m) kaldteed, saaksime vajaliku jõu vähendada vaid 25 naelani. (11,3 kg).
Plokk
Kui me tahame selle sama 100 naela tõsta. trossi abil, võiksime rihmaratta kaalu kohal oleva tala külge kinnitada. See võimaldaks meil köie asemel üles alla tõmmata, kuid see nõuab ikkagi 100 naela. jõud. Kui aga kasutaksime kahte rihmaratast - üks kinnitataks õlapalli külge ja teine raskuse külge - ning kinnitaksime köie ühe otsa tala külge, juhiksime selle läbi raskuse rihmaratta ja siis läbi rihmaratta otsas, peaksime köie tõmbama ainult 50 naelaga. jõu tõstmiseks raskuse tõstmiseks, kuigi kaalu tõstmiseks peaksime köie tõmbama 4 jalga. Jälle oleme kaubelnud suurenenud vahemaa vähenenud jõu tõttu.
Kui tahame veelgi suuremal distantsil kasutada veelgi vähem jõudu, võime kasutada blokki ja astuda vastu. Lõuna-Carolina ülikooli kursusmaterjalide kohaselt on "klots ja rihm rihmarataste kombinatsioon, mis vähendab millegi tõstmiseks vajalikku jõu hulka. Kompromissiks on see, et ploki ja haarde jaoks on vaja pikemat trossi pikkust. midagi sama vahemaa kaugusel. "
Nii lihtsad kui rihmarattad, leiavad need endiselt kasutamist kõige arenenumates uutes masinates. Näiteks 3D-printer Hangprinter, mis suudab ehitada mööblisuurusi esemeid, kasutab juhtmete ja arvutiga juhitavate rihmarataste süsteemi, mis on kinnitatud seinte, põranda ja lae külge.
Kruvi
"Kruvi on sisuliselt võlli ümber mähitud pikk kaldtasapind, nii et selle mehaanilisele eelisele saab läheneda samal viisil kui kaldega," ütles Georgia osariigi ülikooli loodud veebisaidi HyperPhysics andmetel. Paljud seadmed kasutavad kruvisid jõu rakendamiseks, mis on palju suurem kui kruvi keeramiseks kasutatav jõud. Need seadmed hõlmavad auto ratastel asuvaid kruustangide tihvte ja mutreid. Nad saavad mehaanilise eelise mitte ainult kruvi enda abil, vaid paljudel juhtudel ka kruvi keeramiseks kasutatava pika käepideme võimenduse abil.
Kiil
New Mexico mäetööstuse ja tehnoloogiainstituudi andmetel "liiguvad kiilud kaldega lennukitega, mida juhitakse tõstmiseks koormate all, või lõhestamiseks või eraldamiseks koorma alla." Pikem, õhem kiil annab rohkem mehaanilisi eeliseid kui lühem, laiem kiil, kuid kiil teeb midagi muud: kiilu põhifunktsioon on sisendjõu suuna muutmine. Näiteks kui tahame palki tükeldada, siis saame kelguhaamri abil suure jõuga kiilu alla palgi lõppu viia ja kiil suunab selle jõu väljapoole, põhjustades puidu lõhenemist. Veel üks näide on uksesulg, kus selle ukse serva alla surumiseks kasutatav jõud kantakse allapoole, mille tulemuseks on hõõrdejõud, mis peab vastu põranda libisemist.
Chicagos leiate teaduse ja tööstuse muuseumist lõbusaid tegevusi, mis hõlmavad lihtsaid masinaid.
