Tarih boyunca insanlar işi kolaylaştırmak için çeşitli cihazlar geliştirdiler. Bunlardan en dikkat çekici olanı "altı basit makine" olarak bilinir: tekerlek ve aks, kol, eğimli düzlem, kasnak, vida ve kama, ancak üçü aslında sadece ilkinin uzantıları veya kombinasyonlarıdır üç.
Çalışma, bir nesneye hareket yönünde etki eden kuvvet olarak tanımlandığından, Jefferson Lab'a göre bir makine aşağıdaki işlevlerden birini veya birkaçını gerçekleştirerek işi daha kolay gerçekleştirir:
- bir kuvvetin bir yerden başka bir yere aktarılması,
- bir kuvvetin yönünü değiştirmek,
- bir kuvvetin büyüklüğünü arttırmak veya
- bir kuvvetin mesafesini veya hızını arttırmak.
Basit makineler, çalışmayı kolaylaştıran hareketli parçaları olmayan veya çok az olan cihazlardır. Boulder'daki Colorado Üniversitesi'ne göre, günümüzün karmaşık araçlarının çoğu sadece altı basit makinenin kombinasyonları veya daha karmaşık formlarıdır. Örneğin, ırgat yapmak için bir şafta uzun bir sap bağlayabiliriz veya bir yükü bir rampadan yukarı çekmek için bir blok ve mücadele kullanabiliriz. Bu makineler basit görünse de, onlarsız asla yapamayacağımız birçok şeyi yapmamız için bize araçlar sağlamaya devam ediyorlar.
Tekerlek ve dingil
Tekerleğin dünya tarihindeki en önemli icatlardan biri olduğu düşünülmektedir. "İ.Ö. 3500'de tekerleğin icadından önce, insanlar karada ne kadar malzeme taşıyabileceğimiz ve ne kadar uzağa gidebileceğimiz konusunda ciddi bir şekilde sınırlıydılar" diye yazdı Natalie Wolchover "Dünyayı Değiştiren En İyi 10 Buluş". "Tekerlekli el arabaları, malların pazarlara ve pazarlardan taşınmasını sağlayarak tarım ve ticareti kolaylaştırdı, aynı zamanda uzak mesafelere seyahat eden insanların yükünü hafifletti."
Tekerlek, bir nesne bir yüzey üzerinde hareket ettirildiğinde karşılaşılan sürtünmeyi büyük ölçüde azaltır. Tennessee Üniversitesi'ne göre "Dosya dolabınızı tekerlekli küçük bir arabaya koyarsanız, dolabı sabit hızda hareket ettirmek için uygulamanız gereken gücü büyük ölçüde azaltabilirsiniz."
"Eski Bilim: Tarih Öncesi-AD 500" adlı kitabında (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels şöyle yazıyor: "Dünyanın bazı bölgelerinde, kayalar ve tekneler gibi ağır nesneler kütük silindirleri kullanılarak taşındı. Nesne ilerledikçe, silindirler arkadan alındı ve yerine yerleştirildi. " Bu, tekerleğin geliştirilmesindeki ilk adımdı.
Yine de büyük yenilik, bir dingile bir tekerlek takmaktı. Tekerlek, bir yatak tarafından desteklenen bir aksa takılabilir veya aksın etrafında serbestçe dönmesi sağlanabilir. Bu, arabaların, vagonların ve arabaların gelişmesine yol açtı. Samuels'e göre, arkeologlar, bir aks üzerinde dönen bir tekerleğin gelişimini, nispeten gelişmiş bir uygarlığın göstergesi olarak kullanıyorlar. Akslar üzerindeki tekerleklerin en eski kanıtı MÖ 3200'dür. Sümerler tarafından. Çinliler MÖ 2800'de tekerleği bağımsız olarak icat etti.
Kuvvet çarpanları
Wiley'den Science Quest'e göre, sürtünmeyi azaltmanın yanı sıra, bir tekerlek ve aks da bir kuvvet çarpanı olarak hizmet edebilir. Bir tekerlek bir aksa bağlıysa ve aks üzerindeki tekerleği, dönme kuvvetini veya torku döndürmek için bir kuvvet kullanılırsa, tekerleğin jantına uygulanan kuvvetten çok daha büyüktür. Alternatif olarak, benzer bir etki elde etmek için aksa uzun bir sap takılabilir.
Diğer beş makinenin hepsi, bir nesneye uygulanan kuvveti arttırmaya ve / veya yönlendirmeye yardımcı olur. Janet L. Kolodner ve yardımcı yazarları "Büyük Şeyleri Taşımak" adlı kitabında (2009 zamanı geldi), "Makineler hareketli nesnelerde yardımcı olmak için mekanik avantaj sağlarlar. Mekanik avantaj, kuvvet ve mesafe arasındaki denge. " Girdilerine uygulanan kuvveti artıran basit makinelerle ilgili aşağıdaki tartışmada, sürtünme kuvvetini ihmal edeceğiz, çünkü bu vakaların çoğunda sürtünme kuvveti, girdi ve çıktı kuvvetlerine kıyasla çok küçüktür.
Bir mesafeye kuvvet uygulandığında iş üretir. Matematiksel olarak, bu W = F × D olarak ifade edilir. Örneğin, bir nesneyi kaldırmak için, yerçekimi nedeniyle kuvvetin üstesinden gelmek ve nesneyi yukarı doğru hareket ettirmek için çalışmalıyız. İki kat daha ağır olan bir nesneyi kaldırmak için, aynı mesafeyi kaldırmak iki kat daha fazla iş gerektirir. Aynı nesneyi iki kat daha kaldırmak için iki kat daha fazla iş gerekir. Matematikte belirtildiği gibi, makinelerin ana yararı, daha büyük bir mesafeye daha az miktarda kuvvet uygulayarak aynı miktarda iş yapmamıza izin vermeleridir.
Kaldıraç
"Bana bir kaldıraç ve dayanacak bir yer ver, ben de dünyayı hareket ettireceğim." Bu övünç iddia, üçüncü yüzyıl Yunan filozofu, matematikçisi ve mucit Archimedes'e atfedilir. Biraz abartı olsa da, en azından mecazi olarak dünyayı hareket ettiren kaldıraç gücünü ifade eder.
Archimedes'in dehası, aynı miktarı veya işi başarmak için, bir kol kullanarak kuvvet ve mesafe arasında bir değiş tokuş yapabileceğini fark etmekti. New York Üniversitesi'nden Chris Rorres'in bir sanal kitabı olan “21. Yüzyıl Arşimetleri” ne göre, Kol Yasası “Büyüklükleri ağırlıklarıyla karşılıklı olarak orantılı mesafelerde dengededir” diyor.
Kol, uzun bir kiriş ve bir dayanak veya pivottan oluşur. Kolun mekanik avantajı, dayanağın her iki tarafındaki kiriş uzunluklarının oranına bağlıdır.
Örneğin, 100 lb kaldırmak istediğimizi varsayalım. (45 kilogram) ağırlık yerden 2 fit (61 santimetre) uzakta. 100 lbs uygulayabiliriz. 2 metrelik bir mesafe için ağırlık üzerinde yukarı yönde kuvvet uyguladık ve 200 pound (271 Newton metre) iş yaptık. Bununla birlikte, bir ucu ağırlık altında 30 metrelik bir kol ve ağırlıktan 10 metre (3 metre) kirişin altına yerleştirilen 1 metrelik (30.5 cm) bir dayanak kullanacak olsaydık, sadece diğer ucuna 50 lbs ile bastırmak için. (23 kg) ağırlığı kaldırmak için kuvvet. Bununla birlikte, ağırlığı 2 feet kaldırmak için kolun ucunu 1,2 m (4 fit) aşağıya itmek zorunda kalacağız. Kolu hareket ettirmemiz gereken mesafeyi iki katına çıkardığımız bir değiş tokuş yaptık, ancak aynı miktarda iş yapmak için gerekli gücü yarı yarıya düşürdük.
Eğik düzlem
Eğimli düzlem, bir rampa gibi bir açıyla yükseltilmiş düz bir yüzeydir. Ohio Üniversitesi'ndeki Russ Mühendislik ve Teknoloji Koleji'nde makine mühendisliği bölümünde profesör olan Bob Williams'a göre, eğimli bir düzlem, yukarı kaldırmak için çok ağır olacak bir yükü kaldırmanın bir yoludur. Açı (eğimli düzlemin dikliği) ağırlığı yükseltmek için ne kadar çaba gerektiğini belirler. Rampa ne kadar dik olursa, daha fazla çaba gerekir. Yani 100 lb ağırlığımızı kaldırırsak. ağırlık 2 feet 4 feet rampa yukarı yuvarlayarak, taşınması gereken mesafeyi iki katına çıkarırken gerekli kuvveti yarıya indiriyoruz. 2.4 metrelik bir rampa kullanacak olsaydık, gerekli kuvveti sadece 25 lbs'ye düşürebilirdik. (11.3 kg)
Kasnak
Aynı 100 lb'yi kaldırmak istiyorsak. bir halatla, ağırlığın üzerindeki bir kirişe bir kasnak takabiliriz. Bu, ipi yukarı çekmek yerine aşağı çekmemize izin verir, ancak yine de 100 lbs gerektirir. kuvvet. Bununla birlikte, biri tepegöz kirişe bağlı diğeri ağırlığa bağlı iki makara kullanacak olsaydık ve ipin bir ucunu kirişe bağlayacak olsaydık, ağırlıktaki kasnaktan geçirip sonra kiriş üzerindeki kasnak, sadece 50 lbs ile ipi çekmemiz gerekir. ağırlığını kaldırmak için kuvvet, ancak 2 feet ağırlığını kaldırmak için ipi 4 feet çekmek zorunda kalacağız. Yine, azaltılmış kuvvet için artan mesafe ticareti yaptık.
Daha büyük bir mesafeden daha az güç kullanmak istiyorsak, bir blok ve mücadele kullanabiliriz. Güney Carolina Üniversitesi ders materyallerine göre, "Bir blok ve mücadele, bir şeyi kaldırmak için gereken kuvvet miktarını azaltan kasnakların bir kombinasyonudur. Takas, bir blok ve mücadele için daha uzun bir halat uzunluğunun gerekli olmasıdır bir şeyi aynı mesafeye taşımak. "
Kasnaklar kadar basit, hala en gelişmiş yeni makinelerde kullanım buluyorlar. Örneğin, mobilya boyutlu nesneler oluşturabilen bir 3D yazıcı olan Hangprinter, duvarlara, zemine ve tavana sabitlenmiş bir kablo sistemi ve bilgisayar kontrollü kasnaklar kullanıyor.
Vida
Georgia State University tarafından üretilen bir web sitesi olan HyperPhysics'e göre, "Bir vida aslında bir milin etrafına sarılmış uzun bir eğim düzlemidir, bu nedenle mekanik avantajı eğimle aynı şekilde ele alınabilir." Birçok cihaz, vidayı döndürmek için kullanılan kuvvetten çok daha büyük bir kuvvet uygulamak için vidalar kullanır. Bu cihazlar, otomobil tekerleklerinde tezgah mengeneleri ve bijon somunlarını içerir. Sadece vidanın kendisinden değil, aynı zamanda vidayı döndürmek için kullanılan uzun bir kolun kaldıraçından da mekanik bir avantaj elde ederler.
Kama
New Mexico Madencilik ve Teknoloji Enstitüsü'ne göre, "Takozlar, kaldırmak için yükler altında veya bölmek veya ayırmak için bir yüke sürülen eğimli düzlemleri hareket ettiriyor." Daha uzun, daha ince bir kama, daha kısa, daha geniş bir kamadan daha fazla mekanik avantaj sağlar, ancak bir kama başka bir şey yapar: Bir kamanın ana işlevi, giriş kuvvetinin yönünü değiştirmektir. Örneğin, bir kütüğü bölmek istiyorsak, bir balyoz kullanarak büyük bir kuvvetle kütüğün sonuna doğru bir kama sürdürebiliriz ve kama bu kuvveti dışarıya yönlendirerek ahşabın bölünmesine neden olur. Başka bir örnek, kapının kenarının altına itmek için kullanılan kuvvetin aşağıya aktarıldığı ve zeminde kaymaya karşı dirençli sürtünme kuvvetiyle sonuçlanan bir kapı durdurucusudur.
Chicago Bilim ve Sanayi Müzesi'nde basit makineleri içeren eğlenceli aktiviteler bulun.
