PROSTE MASZYNY: HISTORIA, CHARAKTERYSTYKA, TYPY, PRZYKŁADY - TECHNOLOGIA - 2026

Te proste urządzenia są urządzeniami mechanicznymi, które zmieniają wielkość lub kierunek siły. Można je ogólnie zdefiniować jako najbardziej pozbawione kości aparaty, które wykorzystują mechaniczną przewagę, zwaną również dźwignią, w celu zwiększenia siły.

Na przestrzeni dziejów ludzie opracowywali różne urządzenia ułatwiające pracę. Najważniejsze z nich to sześć typów prostych maszyn: dźwignia, koło i wałek, koło pasowe, płaszczyzna nachylona, ​​klin i śruba.

Źródło: John Mills

Kiedy słyszysz słowo maszyna, myślisz o czymś w rodzaju koparki lub maszyny parowej. Jednak w nauce maszyną jest wszystko, co zwiększa siłę.

Maszyna może zwiększyć ilość wytwarzanej siły kosztem proporcjonalnego zmniejszenia odległości pokonywanej przez ładunek. Zaleta mechaniczna nazywana jest zależnością między wytworzoną siłą a przyłożoną siłą.

Prosta maszyna wykorzystuje pojedynczą przyłożoną siłę, która działa przeciwko pojedynczej sile obciążenia. Pomijając straty tarcia, praca wykonana na obciążeniu równa się pracy wykonanej przez przyłożoną siłę.

Bloki żywiołów

Proste maszyny są wszędzie i są używane każdego dnia do wykonywania prostych zadań. Były też używane od najwcześniejszych dni istnienia człowieka.

Proste maszyny można uznać za podstawowe bloki, z których składają się wszystkie bardziej złożone maszyny, zwane maszynami złożonymi.

W mechanizmie roweru stosowane są na przykład koła pasowe, dźwignie i koła. Zaleta mechaniczna maszyny złożonej to nic innego jak wynik mechanicznych zalet prostych maszyn, które ją tworzą.

Jednak, chociaż nadal są uważane za bardzo ważne w mechanice i naukach stosowanych, współczesna mechanika przekroczyła tę wizję prostych maszyn jako elementarnych bloków, z których składają się wszystkie maszyny.

Historia

Wstępne pomysły

Około III wieku pne. C. zapoczątkował ideę prostej maszyny od greckiego filozofa Archimedesa, który badał następujące proste maszyny: dźwignia, koło pasowe i śruba.

Odkrył w dźwigni zasadę przewagi mechanicznej. Jego słynny komentarz dotyczący dźwigni: „Dajcie mi miejsce do oparcia się, a poruszę Ziemię” wyraża jego zrozumienie, że nie ma ograniczeń co do wielkości wzrostu siły, jaką można by osiągnąć przy użyciu przewagi mechanicznej.

Później greccy filozofowie zdefiniowali pięć klasycznych prostych maszyn i byli w stanie obliczyć ich mechaniczną przewagę.

Na przykład w swojej pracy Mechanics Heron of Alexandria (10-75 AD) wymienia pięć urządzeń, które mogą wprawiać ładunek w ruch: koło pasowe, koło i wałek, dźwignię, śrubę i klin, szczegółowo opisując ich produkcję i zastosowanie.

Jednak wiedza Greków ograniczała się do statyki prostych maszyn (równowaga sił), nie licząc dynamiki, pojęcia pracy czy kompromisu między siłą a odległością.

Okres renesansu

Dynamikę sił mechanicznych, jak nazywano proste maszyny, zaczęto badać w okresie renesansu pod kątem tego, jak daleko można podnieść ładunek, oprócz siły, którą można było przyłożyć, co ostatecznie doprowadziło do nowej koncepcji Praca mechaniczna.

Mechaniczna przewaga pochylni została wydedukowana przez flamandzkiego inżyniera Simona Stevina w 1586 roku. Została ona dołączona do innych prostych maszyn.

Włoski naukowiec Galileo Galilei opracował w 1600 roku pełną dynamiczną teorię prostych maszyn w swojej pracy Le Meccaniche, w której ujawnił podstawowe podobieństwo matematyczne jako wzmacniaczy siły tych maszyn. Jako pierwszy wyjaśnił, że proste maszyny nie wytwarzają energii, a jedynie ją przekształcają.

Leonardo da Vinci odkrył klasyczne zasady tarcia ślizgowego w maszynach, ale nie zostały one opublikowane ani udokumentowane w jego podkładzie. W 1699 r. Guillaume Amontons ponownie odkrył te zasady, aw 1785 r. Opracował je Charles-Augustin de Coulomb.

cechy

Proste maszyny to urządzenia bez lub z niewielką liczbą ruchomych części, co ułatwia pracę. Główną funkcją prostej maszyny jest wzmocnienie siły lub modyfikacja ruchu.

Ruch i siła

Ruch i siła w prostej maszynie są nierozłączne. Są zawsze w odwrotnej relacji.

Siła wytwarzana przez dźwignię jest większa niż siła do niej przyłożona, ale wytwarzany ruch jest mniejszy niż przykładany ruch. Oznacza to, że wzrostowi siły towarzyszy utrata ruchu.

Praca

W mechanice praca jest czymś, co siły robią, gdy poruszają się w kierunku, w którym działają. Oznacza to, że gdy przykładana jest siła, aby pokonać odległość, powstaje praca. Wyraża się to matematycznie jako: Praca = Siła × Odległość.

Na przykład, aby podnieść przedmiot, należy wykonać pracę, która przekracza siłę grawitacji, a tym samym być w stanie przesunąć przedmiot do góry.

Aby podnieść przedmiot dwukrotnie cięższy, podniesienie go na tę samą odległość wymaga dwa razy więcej pracy. Podniesienie tego samego przedmiotu dwa razy wyżej wymagałoby również dwa razy więcej pracy.

Ta koncepcja pracy ma fundamentalne znaczenie dla zdefiniowania funkcji mechanicznej w prostych maszynach w kategoriach siły i ruchu, podkreślając nierozdzielność siły i ruchu.

Przewaga mechaniczna

Jest to związek między siłą, która wykonuje pracę, w odniesieniu do przyłożonej siły. Dlatego jest to skuteczność wzmocnienia siły prostej maszyny.

Zaleta mechaniczna prostych maszyn oznacza, że ​​do przesunięcia obiektu można użyć mniejszej siły, ale należy go przesunąć na większą odległość.

Często zadanie jest trudne, ponieważ wymaga dużej siły. Wykorzystanie kompromisu między odległością a siłą może znacznie ułatwić wykonanie zadania.

Przykładem jest spychanie ciężkiego przedmiotu po rampie. Przedmiot łatwiej jest zepchnąć po rampie niż podnieść go na odpowiednią wysokość, ale trzeba go przenieść na większą odległość.

Do czego służą proste maszyny?

Proste maszyny ułatwiają pracę, wykonując jedną lub więcej z następujących funkcji:

- Przenieś siły z jednego miejsca w drugie.

- Zmień kierunek siły.

- Zwiększyć wielkość siły.

- Zwiększyć odległość siły.

Chociaż proste maszyny mają wiele różnych form, występują w sześciu podstawowych typach:

- Klin: urządzenie do oddzielania rzeczy.

- Koło i oś: stosowane w celu zmniejszenia tarcia i jako zwielokrotnienie siły.

- Dźwignia: porusza się po punkcie podparcia, aby zwiększyć lub zmniejszyć przewagę mechaniczną.

- Płaszczyzna nachylona: podnoś przedmioty podczas wspinaczki po zboczu.

- Śruba: urządzenie, które może podnosić lub utrzymywać razem przedmioty.

- Koło pasowe: zmienia kierunek siły.

Zwiększ przyłożoną siłę

Proste maszyny pomagają ludziom zwiększyć siłę wywieraną na przedmiot. Zapewniają mechaniczną przewagę, ułatwiając przesuwanie obiektów.

Jak wskazuje wzór pracy, główną zaletą prostych maszyn jest umożliwienie wykonania takiej samej ilości pracy przy zastosowaniu mniejszej siły na większej odległości.

Na przykład chcesz podnieść przedmiot ważący 10 kilogramów na 2 metry nad ziemię. Na obiekt można przyłożyć siłę 10 kg w kierunku do góry, na odległość 2 metrów, wykonując w ten sposób pracę 20 niutonów.

Jeśli użyto dźwigni o długości 3 metrów, umieszczając obiekt na jednym końcu i umieszczając punkt podparcia 10 cm pod drążkiem w odległości 1 metra od obiektu, to aby podnieść przedmiot, musiałbyś nacisnąć drugi koniec za pomocą siła tylko 5 kilogramów.

Jednak koniec dźwigni musiałby zostać zepchnięty w dół o 4 metry, aby podnieść obiekt tylko 2 metry.

Jest kompromis. Obniżenie dźwigni podwaja poprzednią odległość, ale zmniejsza wymaganą siłę o połowę, wykonując tę ​​samą pracę.

Rodzaje

Dźwignia

Jest to rodzaj sztywnego pręta, który ma stały punkt podparcia jako punkt podparcia. Składa się z ładunku, który jest przedmiotem do przesunięcia lub podniesienia, punktu podparcia, który jest osią obrotu, oraz siły, która jest siłą potrzebną do przesunięcia lub podniesienia ładunku.

Przyłożenie siły do ​​jednego końca dźwigni powoduje powstanie większej siły na drugim końcu. Przyłożona siła wzrośnie lub zmniejszy się w zależności od odległości od punktu podparcia do obciążenia i naprężenia.

Koło i oś

Składa się z koła przymocowanego do mniejszej osi, dzięki czemu te dwie części obracają się razem, podczas gdy siła jest przenoszona z jednej na drugą. Zawias podtrzymuje wałek, umożliwiając obrót.

Ułatwia pracę przy przenoszeniu obiektów na duże odległości. Koło, które jest okrągłym końcem, obraca się wraz z osią cylindryczną, powodując ruch.

Może również wzmacniać siłę. Niewielka siła przyłożona do obwodu dużego koła może przesunąć większy ładunek przymocowany do osi.

Krążek linowy

Służy do wspomagania ruchu i zmiany kierunku naprężonej liny. Lina owija się wokół koła. Gdy koło się obraca, lina porusza się w dowolnym kierunku.

Jeśli do liny przymocowany jest hak, obrót koła może służyć do podnoszenia i opuszczania przedmiotów, ułatwiając pracę.

Równia pochyła

Jest to płaska powierzchnia, z jednym końcem wyższym od drugiego, używana jako podpora do podnoszenia lub opuszczania ładunku. Są szeroko stosowane do przenoszenia ciężkich ładunków po pionowych przeszkodach.

Przesuwanie przedmiotu w górę po pochyłej płaszczyźnie wymaga mniejszej siły niż bezpośrednie podnoszenie, kosztem zwiększenia przebytej odległości.

Mechaniczna zaleta nachylonej płaszczyzny jest równa stosunkowi długości nachylonej powierzchni do wysokości, jaką zajmuje.

Kolebka

Jest to narzędzie w kształcie trójkąta. Może być używany do oddzielania dwóch obiektów, usuwania części przedmiotu, podnoszenia go lub utrzymywania obiektu w miejscu.

Działa poprzez przekształcenie siły przyłożonej do jego tępego końca na siły prostopadłe do jego nachylonej powierzchni.

Zaletą mechaniczną jest zależność między długością stoku a szerokością.

Wkręt

Jest to mechanizm, który przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy, a siłę obrotową (moment obrotowy) w siłę liniową. Śruba to tak naprawdę inny rodzaj nachylonej płaszczyzny.

Jego najczęstszy kształt składa się z cylindrycznego wału ze spiralnymi rowkami zwanymi gwintami na zewnątrz.

Śruba przechodzi przez otwór w innym przedmiocie lub medium z wewnętrznymi gwintami, które zazębiają się z gwintami śruby.

Przykłady

Dźwignie

Niektóre przykłady dźwigni to klamki do drzwi, pazury młotka do usuwania gwoździ, żelazne dźwignie, włączniki światła, otwieracze do butelek i zawiasy.

Źródło: pixabay.com

Koła i osie

Można je znaleźć wszędzie tam, gdzie coś krąży w kółko, na przykład wentylator elektryczny, silnik, drzwi obrotowe, karuzela i dowolne koło, czy to w samochodzie, na deskorolce czy na rowerze.

Źródło: pixabay.com

Koła pasowe

Są używane w zasłonach i żaluzjach, aby przesuwać je w górę iw dół lub w przód iw tył.

Potrafią podnieść coś z ziemi, jak flaga na maszcie. Lina jest ściągnięta, ale flaga podnosi się.

Są również wykorzystywane w przemyśle do podnoszenia i opuszczania ciężkich ładunków, na statkach do podnoszenia i opuszczania żagli lub w dźwigach do przenoszenia sprzętu budowlanego.

Windy używają również kół pasowych do przesuwania samochodu w dół i w górę z podłogi na podłogę.

Źródło: pixabay.com

Pochyły samoloty

Są używane w parkach dla skuterów, rampach dla wózków inwalidzkich oraz do przenoszenia ciężkiego sprzętu do iz tyłu ciężarówek.

Zmodyfikowane wersje rampy znajdują się na schodach, schodach ruchomych, ścieżkach spacerowych, a nawet na zjeżdżalniach używanych do wrzucania poczty do skrzynki pocztowej, aż do pociągu jadącego pod górę.

Źródło: pexels.com

Kolebka

Niektóre przykłady klinów używanych do oddzielania to łopata, nóż, siekiera, kilof, piła, nożyczki lub szpikulec do lodu.

Kliny mogą również utrzymywać rzeczy razem, jak w przypadku zszywek, szpilek, gwoździ, gwoździ lub odbojników.

Źródło: pixabay.com

Wkręt

Niektóre przykłady to wiertarka, pokrywka słoika, żarówka, śruba, kapsle do butelek, krany i długopisy.

Innym zastosowaniem śruby jest urządzenie zwane pompą śrubową. Jest to ogromna hydrauliczna maszyna w kształcie śruby, która trafia do wody. Podczas obracania, dzięki kształtowi śruby, woda płynie w górę po skręconym wale, unosząc się tam, gdzie jest potrzebna. Pompy śrubowe są często używane do nawadniania oraz w rolnictwie, np. Na farmach.

Źródło: pixabay.com

Bibliografia

1. Wikipedia, wolna encyklopedia (2019). Prosta maszyna. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org.
2. Telewizja publiczna Idaho (2019). Proste maszyny: fakty. Zaczerpnięte z: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 prostych maszyn: ułatwienie pracy. Nauka na żywo. Zaczerpnięte z: livescience.com.
4. Teach Engineering (2019). Inżynieria: proste maszyny. Zaczerpnięte z: teachengineering.org.
5. Dla nauczycieli dla uczniów (2019). Co to są proste maszyny? Zaczerpnięte z: forteachersforstudents.com.au.
6. Rząd stanu Wiktoria (2019). Proste maszyny. Zaczerpnięte z: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Sześć typów prostych maszyn. Zaczerpnięte z: vexrobotics.com.