V průběhu historie lidé vyvinuli několik zařízení, která usnadňují práci. Nejvýznamnější z nich jsou známé jako „šest jednoduchých strojů“: kolo a náprava, páka, nakloněná rovina, kladka, šroub a klín, i když poslední tři jsou ve skutečnosti pouhými rozšířeními nebo kombinací prvního tři.
Protože práce je definována jako síla působící na objekt ve směru pohybu, stroj podle Jefferson Lab usnadňuje práci tím, že provádí jednu nebo více z následujících funkcí:
- přenos síly z jednoho místa na druhé,
- změna směru síly,
- - zvýšení velikosti síly, nebo -
- zvětšení vzdálenosti nebo rychlosti síly.
Jednoduché stroje jsou zařízení, která nemají žádné nebo jen velmi málo pohyblivých částí, což usnadňuje práci. Mnoho z dnešních složitých nástrojů je podle kombinace University of Colorado v Boulderu pouhými kombinacemi nebo komplikovanějšími formami šesti jednoduchých strojů. Například bychom mohli k hřídeli připevnit dlouhou rukojeť, abychom vytvořili větrnici, nebo použít blok a kladkostroj k vytažení nákladu na rampu. I když se tyto stroje mohou zdát jednoduché, nadále nám poskytují prostředky k tomu, abychom dělali mnoho věcí, které bychom bez nich nikdy nemohli udělat.
Kolo na hřídeli
Kolo je považováno za jeden z nejvýznamnějších vynálezů v historii světa. „Před vynálezem kola v roce 3500 př.nl byli lidé přísně omezeni v tom, kolik věcí bychom mohli přepravovat po zemi, a jak daleko,“ napsala Natalie Wolchover v článku Živé vědy „Top 10 vynálezů, které změnily svět.“ „Kolové vozíky usnadňovaly zemědělství a obchod tím, že umožňovaly přepravu zboží na trhy a z nich, a také zmírňovaly zátěž lidí, kteří cestují na velké vzdálenosti.“
Kolo výrazně snižuje tření, které se vyskytuje, když se předmět pohybuje po povrchu. „Pokud umístíte kartotéku na malý vozík s koly, můžete výrazně snížit sílu, kterou musíte použít, aby se skříňka pohybovala konstantní rychlostí,“ tvrdí University of Tennessee.
Charlie Samuels ve své knize „Ancient Science: Prehistory-AD 500“ (Gareth Stevens, 2010) píše: „V některých částech světa byly těžké objekty, jako jsou kameny a čluny, přemisťovány pomocí válečků na kulatiny. byly vzaty zezadu a nahrazeny vpředu. To byl první krok ve vývoji kola.
Velkou novinkou však bylo namontovat kolo na nápravu. Kola by mohla být připevněna k nápravě, která byla nesena ložiskem, nebo by mohla být provedena tak, aby se mohla volně otáčet kolem osy. To vedlo k vývoji vozů, vozů a vozů. Podle Samuelse archeologové používají vývoj kola, které se otáčí na nápravě, jako indikátor relativně pokročilé civilizace. Nejčasnější důkaz kol na nápravách je od asi 3 200 B.C. od Sumerů. Číňané nezávisle vynalezli kolo v 2800 B.C.
Násobiče síly
Podle Science Quest od Wiley může kromě snižování tření také kolo a náprava sloužit jako multiplikátor síly. Pokud je kolo připojeno k nápravě a je použita síla pro otáčení kola, je rotační síla nebo točivý moment na nápravě mnohem větší než síla působící na ráfek kola. Alternativně může být k nápravě připojena dlouhá rukojeť pro dosažení podobného účinku.
Ostatních pět strojů pomáhá lidem zvyšovat a / nebo přesměrovat sílu aplikovanou na objekt. Janet L. Kolodner a její spoluautoři ve své knize „Moving Big Things“ (Je čas, 2009) píšou: „Stroje poskytují mechanickou výhodu při pohybu objektů. Mechanická výhoda je kompromis mezi silou a vzdáleností. " V následující diskusi o jednoduchých strojích, které zvyšují sílu působící na jejich vstup, zanedbáme sílu tření, protože ve většině těchto případů je třecí síla velmi malá ve srovnání se vstupními a výstupními silami.
Když je síla aplikována na dálku, vytváří práci. Matematicky je to vyjádřeno jako W = F × D. Například, abychom zvedli objekt, musíme udělat práci, abychom překonali sílu způsobenou gravitací a posunuli objekt nahoru. Chcete-li zvednout objekt, který je dvakrát tak těžký, trvá zdvihnutí stejné vzdálenosti dvakrát. Zvedání stejného objektu dvakrát tak dlouho trvá také dvakrát tolik práce. Jak ukazuje matematika, hlavní výhodou strojů je to, že nám umožňují provádět stejné množství práce tím, že na větší vzdálenost aplikují menší sílu.
Páka
"Dej mi páku a místo, kde budu stát, a budu pohybovat světem." Tento honosný požadavek je připsán řeckému filozofovi, matematikovi a vynálezci Archimedesovi ze třetího století. I když to může být trochu přehnané, vyjadřuje sílu pákového efektu, který alespoň obrazně pohybuje světem.
Geniál Archimedes si měl uvědomit, že za účelem dosažení stejného množství nebo práce je možné pomocí páky dosáhnout kompromisu mezi silou a vzdáleností. Jeho zákon páky uvádí: „Magnitudy jsou v rovnováze na vzdálenostech vzájemně úměrných jejich hmotnosti“, podle „Archimedes v 21. století“, virtuální knihy Chris Rorres na New York University.
Páka se skládá z dlouhého paprsku a otočného čepu nebo otočného čepu. Mechanická výhoda páky závisí na poměru délek paprsku na obou stranách osy otáčení.
Řekněme například, že chceme zvednout 100 lb. (45 kilogramů) váží 61 stop od země. Můžeme vykonat 100 liber. síly na hmotnost ve směru vzhůru na vzdálenost 2 stop, a my jsme udělali práci 200 liber (271 Newton metrů) práce. Pokud bychom však měli použít páku 30 stop (9 m) s jedním koncem pod váhou a 1 stopu (30,5 cm) osa umístěná pod paprskem 10 stop (3 m) od hmotnosti, měli bychom pouze tlačit dolů na druhém konci s 50 liber. (23 kg) síly pro zvednutí závaží. Abychom zvedli váhu o 2 stopy, museli bychom však zatlačit konec páky dolů o 1,2 metru dolů. Udělali jsme kompromis, ve kterém jsme zdvojnásobili vzdálenost, kterou jsme museli pohnout pákou, ale snížili jsme potřebnou sílu o polovinu, abychom mohli vykonat stejné množství práce.
Nakloněná rovina
Nakloněná rovina je jednoduše plochý povrch zvednutý pod úhlem, jako rampa. Podle Boba Williamsa, profesora na katedře strojního inženýrství na Russ College of Engineering and Technology na Ohio University, je nakloněné letadlo způsob, jak zvedat náklad, který by byl příliš těžký na to, aby se zvedl přímo nahoru. Úhel (strmost nakloněné roviny) určuje, kolik úsilí je potřeba ke zvýšení hmotnosti. Čím strmější rampa, tím více úsilí je zapotřebí. To znamená, že pokud zvedneme naše 100 lb. váží 2 stopy válcováním nahoru po 4 stopové rampě, snižujeme potřebnou sílu o polovinu, zatímco zdvojnásobení vzdálenosti musí být posunuto. Pokud bychom měli použít 8-stopovou (2,4 m) rampu, mohli bychom snížit potřebnou sílu na pouhých 25 liber. (11,3 kg).
Kladka
Pokud chceme zvednout stejnou 100 lb. Vzhledem k hmotnosti lana bychom mohli připojit kladku k nosníku nad hmotností. To by nám umožnilo strhnout místo lana nahoru, ale stále to vyžaduje 100 liber. síly. Pokud bychom však měli použít dvě kladky - jednu připevněnou k hornímu nosníku a druhou připojenou k závaží - a měli jsme připojit jeden konec provazu k nosníku, projeďte jej kladkou na závaží a poté skrz kladka na nosníku, museli bychom tahat za lano pouze s 50 liber. síly, abychom zvedli váhu, i když bychom museli zatáhnout za lano 4 stopy, abychom zvedli váhu 2 stopy. Opět jsme vyměnili větší vzdálenost za sníženou sílu.
Pokud chceme použít ještě menší sílu na ještě větší vzdálenost, můžeme použít blok a nářadí. Podle studijních materiálů z University of South Carolina, „Blok a kladkostroj je kombinace kladek, která snižuje množství síly potřebné k zvedání něčeho. Kompromis je, že pro blok a kladkostroj je vyžadována delší délka lana. přesunout něco o stejnou vzdálenost. “
Stejně jednoduché jako kladky stále nacházejí uplatnění v nejmodernějších nových strojích. Například Hangprinter, 3D tiskárna, která dokáže stavět objekty velikosti nábytku, používá systém drátů a počítačem řízených kladek ukotvených ke stěnám, podlaze a stropu.
Šroub
„Šroub je v podstatě dlouhá rovina stoupání omotaná kolem šachty, takže k její mechanické výhodě lze přistupovat stejným způsobem jako ke svahu,“ uvádí HyperPhysics, web vytvořený Gruzínskou státní univerzitou. Mnoho zařízení používá šrouby k vyvození síly, která je mnohem větší než síla použitá při otáčení šroubu. Tato zařízení zahrnují lavicové svěráky a matice na automobilových kolech. Mechanickou výhodu získávají nejen ze samotného šroubu, ale v mnoha případech také z páky dlouhé rukojeti použité k otáčení šroubu.
Klín
Podle Institutu hornictví a technologie v Novém Mexiku „Klíny se pohybují nakloněnými rovinami, které jsou poháněny pod nákladem, aby zvedly, nebo do nákladu, aby se rozdělily nebo oddělily.“ Delší, tenčí klín poskytuje větší mechanickou výhodu než kratší, širší klín, ale klín dělá něco jiného: Hlavní funkcí klínu je změna směru vstupní síly. Například, pokud chceme rozdělit polen, můžeme pomocí klínového kladiva řídit klín dolů na konec kmene a klín přesměruje tuto sílu směrem ven, což způsobí štěpení dřeva. Dalším příkladem je dveřní zarážka, kde síla použitá k jejímu zatlačení pod hranu dveří je přenášena dolů, což má za následek třecí sílu, která odolává skluzu přes podlahu.
Najděte zábavné aktivity zahrnující jednoduché stroje v Muzeu vědy a průmyslu v Chicagu.
