На протяжении всей истории люди разработали несколько устройств, чтобы облегчить работу. Наиболее известные из них известны как «шесть простых машин»: колесо и ось, рычаг, наклонная плоскость, шкив, винт и клин, хотя последние три на самом деле являются лишь продолжением или комбинацией первого три.
Поскольку работа определяется как сила, действующая на объект в направлении движения, машина облегчает выполнение работы, выполняя одну или несколько из следующих функций, согласно Jefferson Lab:
- перенос силы из одного места в другое,
- изменение направления силы,
- увеличивая величину силы, или
- увеличение расстояния или скорости силы.
Простые машины - это устройства без или очень мало движущихся частей, которые облегчают работу. По словам Колорадского университета в Боулдере, многие из современных сложных инструментов представляют собой просто комбинации или более сложные формы шести простых машин. Например, мы могли бы прикрепить длинную ручку к валу, чтобы сделать лебедку, или использовать блок и снасть, чтобы подтянуть груз к рампе. Хотя эти машины могут показаться простыми, они продолжают предоставлять нам средства для выполнения многих вещей, которые мы никогда бы не смогли сделать без них.
Колесо и ось
Колесо считается одним из самых значительных изобретений в мировой истории. «До изобретения колеса в 3500 г. до н.э. люди были строго ограничены в количестве вещей, которые мы могли перевозить по суше, и как далеко», - пишет Натали Вулчовер в статье в журнале «Live Science» «Топ-10 изобретений, которые изменили мир». «Колесные тележки облегчали сельское хозяйство и торговлю, позволяя перевозить товары на рынки и обратно, а также облегчали бремя людей, путешествующих на большие расстояния».
Колесо значительно уменьшает трение, возникающее при перемещении объекта по поверхности. «Если вы положите свой картотечный шкаф на маленькую тележку с колесами, вы можете значительно уменьшить усилие, которое вам необходимо приложить для перемещения шкафа с постоянной скоростью», - утверждают в Университете Теннесси.
В своей книге «Древняя наука: предыстория-500 до н.э.» (Гарет Стивенс, 2010 г.) Чарли Сэмюэлс пишет: «В некоторых частях мира тяжелые объекты, такие как камни и лодки, перемещались с помощью бревен с роликами. Когда объект двигался вперед, ролики были взяты сзади и заменены спереди. " Это был первый шаг в развитии колеса.
Тем не менее, большое новшество заключалось в установке колеса на ось. Колесо может быть прикреплено к оси, опирающейся на подшипник, или оно может вращаться вокруг оси. Это привело к развитию повозок, повозок и колесниц. Согласно Сэмюэлсу, археологи используют развитие колеса, которое вращается на оси, как индикатор относительно развитой цивилизации. Самое раннее свидетельство о колесах на осях - приблизительно от 3200 до н.э. шумерами. Китайцы самостоятельно изобрели колесо в 2800 году до нашей эры.
Усилительные множители
В соответствии с Science Quest от Wiley, помимо уменьшения трения, колесо и ось могут также служить в качестве множителя силы. Если колесо прикреплено к оси, и сила, используемая для поворота колеса, сила вращения или крутящий момент на оси намного больше, чем сила, приложенная к ободу колеса. Альтернативно, длинная ручка может быть прикреплена к оси для достижения аналогичного эффекта.
Все остальные пять машин помогают людям увеличить и / или перенаправить силу, приложенную к объекту. Джанет Колоднер и ее соавторы пишут в своей книге «Движущиеся большие вещи» («Время пришло», 2009 год): «Машины обеспечивают механическое преимущество при перемещении объектов. Механическое преимущество - это компромисс между силой и расстоянием. " В последующем обсуждении простых машин, которые увеличивают силу, приложенную к их входу, мы будем пренебрегать силой трения, потому что в большинстве этих случаев сила трения очень мала по сравнению с входными и выходными силами.
Когда сила применяется на расстоянии, она производит работу. Математически это выражается как W = F × D. Например, чтобы поднять объект, мы должны выполнить работу, чтобы преодолеть силу, вызванную силой тяжести, и переместить объект вверх. Чтобы поднять объект, который в два раза тяжелее, требуется поднять вдвое больше работы, чтобы поднять его на такое же расстояние. Также требуется вдвое больше работы, чтобы поднять один и тот же объект в два раза. Как указано в математике, основное преимущество машин заключается в том, что они позволяют нам выполнять ту же работу, применяя меньшее усилие на большем расстоянии.
Рычаг
«Дайте мне рычаг и место, чтобы встать, и я переверну мир». Это хвастливое утверждение приписывается греческому философу, математику и изобретателю третьего века Архимеду. Хотя это может быть немного преувеличением, оно выражает силу рычагов, которые, по крайней мере, образно, движут миром.
Гений Архимеда состоял в том, чтобы понять, что для выполнения той же суммы или работы можно было найти компромисс между силой и расстоянием, используя рычаг. Его Закон рычага гласит: «Величины находятся в равновесии на расстояниях, обратно пропорциональных их весам», согласно «Архимеду в 21-м веке», виртуальной книге Криса Рорреса из Нью-Йоркского университета.
Рычаг состоит из длинной балки и точки опоры, или оси. Механическое преимущество рычага зависит от соотношения длин балки с каждой стороны точки опоры.
Например, скажем, мы хотим поднять 100 фунтов. (45 кг) вес 2 фута (61 см) от земли. Мы можем приложить 100 фунтов. силы на вес в направлении вверх на расстоянии 2 фута, и мы сделали 200 фунтов-футов (271 Ньютон-метров) работы. Однако, если бы мы использовали 30-футовый (9 м) рычаг с одним концом под грузом и 1-футовую (30,5 см) точку опоры, расположенную под балкой в 10 футах (3 м) от веса, мы бы имели только надавить на другой конец с 50 фунтов. (23 кг) силы, чтобы поднять вес. Тем не менее, нам пришлось бы опустить конец рычага на 4 фута (1,2 м), чтобы поднять вес на 2 фута. Мы достигли компромисса, в котором мы удвоили расстояние, на которое мы должны были перемещать рычаг, но мы уменьшили необходимое усилие наполовину, чтобы выполнить ту же работу.
Наклонная плоскость
Наклонная плоскость - это просто плоская поверхность, поднятая под углом, как наклонная поверхность. По словам Боба Уильямса, профессора кафедры машиностроения в Инженерно-технологическом колледже "Русс" в Университете Огайо, наклонная плоскость - это способ поднять груз, который был бы слишком тяжелым, чтобы поднять его прямо вверх. Угол (крутизна наклонной плоскости) определяет, сколько усилий требуется для поднятия веса. Чем круче рампа, тем больше усилий требуется. Это означает, что если мы поднимем наши 100 фунтов. весим 2 фута, катая его по 4-футовой рампе, мы уменьшаем необходимое усилие вдвое, удваивая расстояние, на которое он должен быть перемещен. Если бы мы использовали 8-футовую (2,4 м) рампу, мы могли бы уменьшить необходимую силу только до 25 фунтов. (11,3 кг).
Шкив
Если мы хотим поднять те же 100 фунтов. Вес с веревкой, мы могли бы прикрепить шкив к балке выше веса. Это позволило бы нам тянуть вместо веревки вверх, но это все равно требует 100 фунтов. силы. Однако, если мы должны были использовать два шкива - один, прикрепленный к потолочной балке, а другой - к грузу, - и мы должны были прикрепить один конец веревки к балке, пропустить его через шкив на весе, а затем через шкив на балке, мы должны были бы потянуть только на 50 фунтов. силы, чтобы поднять вес, хотя мы должны были бы тянуть веревку 4 фута, чтобы поднять вес 2 фута. Опять же, мы обменяли увеличенное расстояние на уменьшенную силу.
Если мы хотим применить еще меньшее усилие на еще большем расстоянии, мы можем использовать блок и захват. Согласно материалам курса Университета Южной Каролины, «Блок и снасть - это комбинация шкивов, которая уменьшает количество силы, необходимой для подъема чего-либо. Компромисс заключается в том, что для блока и снасти требуется более длинная веревка переместить что-то на такое же расстояние. "
Как бы ни были просты шкивы, они все еще находят применение в самых современных новых машинах. Например, Hangprinter, 3D-принтер, который может создавать объекты размером с мебель, использует систему проводов и управляемых компьютером шкивов, прикрепленных к стенам, полу и потолку.
Винт
«Винт - это по существу длинная наклонная плоскость, обернутая вокруг вала, поэтому к его механическому преимуществу можно подходить так же, как и к наклонной поверхности», - говорится на веб-сайте HyperPhysics, созданном государственным университетом штата Джорджия. Многие устройства используют винты для приложения силы, которая намного больше, чем сила, используемая для вращения винта. К таким устройствам относятся тиски и гайки на автомобильных колесах. Они получают механическое преимущество не только от самого винта, но и, во многих случаях, от рычага длинной ручки, используемой для вращения винта.
Клин
Согласно Институту горного дела и технологии Нью-Мексико, «Клинья - это движущиеся наклонные плоскости, которые приводятся под нагрузкой для подъема или в нагрузку для разделения или разделения». Более длинный, более тонкий клин дает больше механических преимуществ, чем более короткий и более широкий клин, но клин делает что-то еще: Основная функция клина состоит в том, чтобы изменить направление входной силы. Например, если мы хотим разделить бревно, мы можем с большой силой вбить клин вниз в конец бревна, используя кувалду, и клин перенаправит эту силу наружу, в результате чего дерево расколется. Другим примером является дверная остановка, где сила, используемая для толкания ее под краем двери, передается вниз, что приводит к силе трения, которая препятствует скольжению по полу.
Найдите некоторые забавные действия с простыми машинами в Музее науки и промышленности в Чикаго.
