Skozi zgodovino so ljudje razvili več naprav za lažje delo. Najbolj od teh so znani "šest preprostih strojev": kolo in os, ročica, nagnjena ravnina, škripec, vijak in klin, čeprav so slednji trije pravzaprav le podaljški ali kombinacije prvega trije.
Ker je delo opredeljeno kot sila, ki deluje na predmet v smeri gibanja, stroj olajša delo z opravljanjem ene ali več naslednjih funkcij, v skladu z Jefferson Lab:
- prenos sile iz enega kraja v drugega,
- spreminjanje smeri sile,
- povečanje jakosti sile ali
- povečanje razdalje ali hitrosti sile.
Enostavni stroji so naprave brez ali zelo malo gibljivih delov, ki olajšajo delo. Številna današnja zapletena orodja so le kombinacije ali bolj zapletene oblike šestih preprostih strojev, poroča Univerza v Koloradu v Boulderju. Na primer, lahko na gred pritrdimo dolg ročaj, da naredimo vitrino, ali pa uporabimo blok in pribor, da vlečemo tovor do rampe. Čeprav se ti stroji morda zdijo preprosti, nam še naprej zagotavljajo sredstva, da lahko naredimo marsikaj, česar brez njih nikoli ne bi mogli.
Kolo in os
Kolo velja za enega najpomembnejših izumov v zgodovini sveta. "Pred izumom kolesa leta 3500 pred našim štetjem smo bili ljudje močno omejeni, koliko stvari lahko prevažamo po kopnem in kako daleč," je Natalie Wolchover zapisala v članku Live Science "Top 10 izumov, ki so spremenili svet." "Vozički na kolesih so olajšali kmetijstvo in trgovino, saj so omogočali prevoz blaga na trge in z njega ter lajšali breme ljudi, ki potujejo na velike razdalje."
Kolo močno zmanjša trenje, ki se pojavi pri premikanju predmeta nad površino. "Če drsno omarico postavite v majhen voziček s kolesi, lahko močno zmanjšate silo, ki jo morate uporabiti za premikanje omare s konstantno hitrostjo," pravijo na Univerzi v Tennesseeju.
Charlie Samuels v svoji knjigi "Ancient Science: Prehistory-500 500 AD" (Gareth Stevens, 2010) piše: "Po delih sveta so se z valjčki z drva premikali težki predmeti, kot so skale in čolni. Ko se je predmet premikal naprej, so se valjčki premikali vzeti od zadaj in nadomeščeni spredaj. " To je bil prvi korak pri razvoju kolesa.
Velika inovacija pa je bila v pritrditvi kolesa na os. Kolo je lahko pritrjeno na os, ki je bila podprta z ležajem, ali pa se lahko prosto vrti okoli osi. To je privedlo do razvoja vozičkov, vagonov in kočije. Po Samuelsovih besedah arheologi razvoj kolesa, ki se vrti na osi, uporabljajo kot pokazatelj razmeroma napredne civilizacije. Najstarejši dokazi o kolesih na osi so približno od 3200 B.C. s strani Sumercev. Kitajci so samostojno izumili kolo leta 2800 B.C.
Množitelji sil
Poleg zmanjšanja trenja lahko kolo in os služijo tudi kot multiplikator sile, poroča Science Quest iz Wileyja. Če je kolo pritrjeno na os in se za vrtenje kolesa uporablja sila, je vrtilna sila ali navor na osi veliko večja od sile, ki je uporabljena na platišču kolesa. Za dosego podobnega učinka je na os mogoče pritrditi dolg ročaj.
Ostalih pet strojev pomaga ljudem povečati in / ali preusmeriti silo, ki se uporablja na predmet. Janet L. Kolodner in njeni soavtorji Janet L. Kolodner in njeni soavtorji v svoji knjigi "Premikanje velikih stvari" (Sredi časa, 2009) pišejo: "Stroji zagotavljajo mehansko prednost za pomoč pri premikanju predmetov. Mehanska prednost je nadomeščanje sile in razdalje. " V naslednji razpravi o preprostih strojih, ki povečujejo silo, ki deluje na njihov vhod, bomo zanemarili silo trenja, saj je v večini teh primerov sila trenja zelo majhna v primerjavi s vhodnimi in izhodnimi silami.
Ko se sila uporabi na daljavo, ustvarja delo. Matematično se to izrazi kot W = F × D. Na primer, da dvignemo predmet, moramo delati, da premagamo silo zaradi gravitacije in premaknemo predmet navzgor. Za dvig predmeta, ki je dvakrat težji, je potrebno dvakrat več dela, da ga dvignete na isto razdaljo. Za dvig istega predmeta je potrebnih tudi dvakrat toliko. Kot kaže matematika, je glavna prednost strojev ta, da nam omogočajo, da opravimo enako količino dela z uporabo manjše količine sile na večji razdalji.
Ročica
"Dajte mi vzvod in mesto za postavitev, jaz pa bom premaknil svet." Ta hvalna trditev je pripisana grškemu filozofu iz tretjega stoletja, matematiku in izumitelju Arhimedu. Čeprav gre morda za malo pretiravanja, vseeno izraža moč vzvodov, ki, vsaj figurativno, premika svet.
Genij Arhimeda je spoznal, da je za dosego enake količine ali dela mogoče izravnati silo in razdaljo s pomočjo vzvoda. Njegov zakon o vzvodu pravi: "Magnitude so v ravnotežju na razdaljah, ki so sorazmerno sorazmerne z njihovimi utežmi", po "Arhimedu v 21. stoletju", virtualni knjigi Chrisa Rorresa z newyorške univerze.
Ročica je sestavljena iz dolgega snopa in vrtenja ali vrtenja. Mehanska prednost vzvoda je odvisna od razmerja dolžin žarka na obeh straneh ogrodja.
Recimo, recimo, da želimo dvigniti 100 funtov. (45 kilogramov) teža oddaljena od tal (61 centimetrov). Iztegnemo lahko 100 funtov. sile na težo v smeri navzgor za razdaljo 2 čevljev in opravili smo 200 funtov (271 Newton-metrov) dela. Če pa bi uporabili 30-metrsko ročico (9 m) z enim koncem pod težo in 1-stopalo (30,5 cm), ki je postavljeno pod žarek 10 čevljev od teže, bi imeli le da potisnete na drugi konec s 50 lbs. (23 kg) sile za dvigovanje teže. Vendar bi morali potisniti konec ročice 4 metra navzdol (1,2 m), da bi dvignili težo 2 noge. Naredili smo kompromis, pri katerem smo podvojili razdaljo, ki smo jo morali premakniti ročico, vendar smo zmanjšali potrebno silo za polovico, da bi opravili enako količino dela.
Nagnjena ravnina
Nagnjena ravnina je preprosto ravna površina, postavljena pod kotom, kot klančina. Po besedah Boba Williamsa, profesorja na oddelku za strojništvo na Visoki šoli za inženirstvo in tehnologijo Russ na univerzi Ohio, je nagnjeno letalo način dvigovanja tovora, ki bi bil pretežak, da bi ga dvignili naravnost navzgor. Kot (strmina nagnjene ravnine) določa, koliko truda je potrebno za dvig teže. Čim bolj strma je rampa, tem več truda je treba. To pomeni, da če dvignemo svojih 100 funtov. teža 2 stopala, ko jo potegnemo po 4-nožni klančini, zmanjšamo potrebno silo za polovico, medtem ko podvojimo razdaljo, ki jo je treba premakniti. Če bi uporabili 8-metrsko (2,4 m) klančino, bi lahko zmanjšali potrebno silo na samo 25 funtov. (11,3 kg).
Škripec
Če želimo dvigniti enakih 100 funtov. Teža z vrvjo smo lahko privezali škripec na snop nad težo. To bi nas pustilo navzdol namesto navzgor po vrvi, vendar še vedno potrebuje 100 funtov. sile. Če pa bi uporabili dva škripca - enega pritrjenega na zgornji svetlobni pramen, drugega pa na uteži - in bi morali en konec vrvi pritrditi na snop, ga potegniti skozi škripec na uteži in nato skozi škripec na snopu, na vrv bi morali vleči le 50 funtov. na silo, da dvignemo težo, čeprav bi morali potegniti vrv 4 noge, da bi dvignili težo 2 noge. Spet smo trgovali s povečano razdaljo za zmanjšano silo.
Če želimo uporabiti še manj sile na še večji razdalji, lahko uporabimo blok in pribor. Glede na gradivo z univerze v Južni Karolini: "Blok in priklop je kombinacija škripcev, ki zmanjša količino sile, ki je potrebna za dvig nečesa. Kompromis je ta, da je za blok in sponko potrebna večja dolžina vrvi. da premaknemo nekaj iste razdalje. "
Tako preprosti kot so jermenice še vedno najdejo uporabo v najnaprednejših novih strojih. Na primer, Hangprinter, 3D tiskalnik, ki lahko izdeluje predmete velikosti pohištva, uporablja sistem žic in računalniško vodenih škripcev, pritrjenih na stene, tla in strop.
Vijak
"Vijak je v bistvu dolga nagibna ravnina, ovita okoli gredi, zato je mogoče njegovo mehansko prednost približati na enak način kot nagib," so zapisali na spletni strani HyperPhysics, ki jo je pripravila univerza Georgia State. Mnoge naprave uporabljajo vijake, da izvajajo silo, ki je veliko večja od sile, ki se uporablja za vrtenje vijaka. Te naprave vključujejo klopi in matice na avtomobilskih kolesih. Mehansko prednost dobijo ne samo zaradi samega vijaka, ampak tudi v mnogih primerih zaradi vzvoda dolgega ročaja, ki se uporablja za vrtenje vijaka.
Klin
Po podatkih novogoriškega rudarsko-tehnološkega inštituta se "klini premikajo nagnjene ravnine, ki jih pod tovori poganjajo za dvigovanje ali v tovor, da se cepijo ali ločujejo." Daljši, tanjši klin daje večjo mehansko prednost kot krajši, širši klin, vendar klin naredi nekaj drugega: Glavna funkcija klina je spreminjanje smeri vhodne sile. Na primer, če želimo cepiti hlod, lahko z velikimi sili zapeljemo klin navzdol na konec hloda in klin bo to silo preusmeril navzven, zaradi česar se bo les cepil. Drug primer je stopalka na vratih, pri kateri se sila, ki jo potisnemo pod rob vrat, prenese navzdol, kar povzroči silo trenja, ki se upira drsenju po tleh.
V muzeju znanosti in industrije v Chicagu poiščite zabavne dejavnosti, ki vključujejo preproste stroje.
