Door de geschiedenis heen hebben mensen verschillende apparaten ontwikkeld om het werk gemakkelijker te maken. De meest opvallende hiervan staan bekend als de "zes eenvoudige machines": het wiel en de as, de hendel, het hellende vlak, de katrol, de schroef en de wig, hoewel de laatste drie eigenlijk slechts verlengstukken of combinaties van de eerste zijn drie.
Omdat werk wordt gedefinieerd als kracht die op een object in de bewegingsrichting inwerkt, maakt een machine het werk gemakkelijker uit te voeren door een of meer van de volgende functies te vervullen, aldus Jefferson Lab:
- een kracht overbrengen van de ene plaats naar de andere,
- de richting van een kracht veranderen,
- het vergroten van de kracht van een kracht, of
- het vergroten van de afstand of snelheid van een kracht.
Eenvoudige machines zijn apparaten zonder of met zeer weinig bewegende delen die het werk vergemakkelijken. Veel van de complexe tools van vandaag zijn slechts combinaties of meer gecompliceerde vormen van de zes eenvoudige machines, volgens de Universiteit van Colorado in Boulder. We kunnen bijvoorbeeld een lange handgreep aan een schacht bevestigen om een ankerlier te maken, of een blok en een takel gebruiken om een lading een helling op te trekken. Hoewel deze machines eenvoudig lijken, blijven ze ons de middelen bieden om veel dingen te doen die we nooit zonder zouden kunnen doen.
Wiel en as
Het wiel wordt beschouwd als een van de belangrijkste uitvindingen in de geschiedenis van de wereld. "Vóór de uitvinding van het wiel in 3500 voor Christus waren de mensen ernstig beperkt in hoeveel spullen we over land konden vervoeren en hoe ver", schreef Natalie Wolchover in het WordsSideKick.com-artikel "Top 10 uitvindingen die de wereld veranderden." "Karren op wielen vergemakkelijkten de landbouw en de handel door het vervoer van goederen van en naar markten mogelijk te maken, en verlichtten ook de lasten van mensen die grote afstanden afleggen."
Het wiel vermindert aanzienlijk de wrijving die wordt ondervonden wanneer een object over een oppervlak wordt bewogen. "Als je je archiefkast op een kleine wagen met wielen zet, kun je de kracht die je moet uitoefenen om de kast met een constante snelheid te verplaatsen aanzienlijk verminderen", aldus de Universiteit van Tennessee.
In zijn boek "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010) schrijft Charlie Samuels: "In delen van de wereld werden zware objecten zoals rotsen en boten verplaatst met behulp van logrollers. Naarmate het object naar voren bewoog, werden rollers werden van achteren genomen en vooraan vervangen. " Dit was de eerste stap in de ontwikkeling van het wiel.
De grote innovatie was echter het monteren van een wiel op een as. Het wiel kan worden bevestigd aan een as die wordt ondersteund door een lager, of het kan vrij rond de as worden gedraaid. Dit leidde tot de ontwikkeling van karren, wagens en wagens. Volgens Samuels gebruiken archeologen de ontwikkeling van een wiel dat op een as draait als een indicator voor een relatief geavanceerde beschaving. Het vroegste bewijs van wielen op assen dateert van ongeveer 3200 voor Christus. door de Sumeriërs. De Chinezen vonden het wiel onafhankelijk uit in 2800 voor Christus.
Forceer multipliers
Naast het verminderen van wrijving, kunnen een wiel en as ook dienen als een krachtvermenigvuldiger, volgens Science Quest van Wiley. Als een wiel aan een as is bevestigd en een kracht wordt gebruikt om het wiel te draaien, is de rotatiekracht of het koppel op de as veel groter dan de kracht die op de velg van het wiel wordt uitgeoefend. Als alternatief kan een lange handgreep aan de as worden bevestigd om een soortgelijk effect te bereiken.
De andere vijf machines helpen allemaal mensen om de kracht die op een object wordt uitgeoefend, te vergroten en / of om te leiden. In hun boek "Moving Big Things" (It's about time, 2009) schrijven Janet L. Kolodner en haar co-auteurs: "Machines bieden mechanisch voordeel om te helpen bij het verplaatsen van objecten. Mechanisch voordeel is de wisselwerking tussen kracht en afstand. " In de volgende bespreking van de eenvoudige machines die de kracht die op hun invoer wordt uitgeoefend, zullen we de wrijvingskracht negeren, omdat in de meeste van deze gevallen de wrijvingskracht erg klein is in vergelijking met de betrokken invoer- en uitvoerkrachten.
Wanneer een kracht over een afstand wordt uitgeoefend, levert dit werk op. Wiskundig wordt dit uitgedrukt als W = F × D. Om bijvoorbeeld een object op te tillen, moeten we werken om de kracht als gevolg van de zwaartekracht te overwinnen en het object omhoog te bewegen. Om een object dat twee keer zo zwaar is op te tillen, is er twee keer zoveel werk nodig om het op dezelfde afstand te tillen. Het kost ook twee keer zoveel werk om hetzelfde object twee keer zo ver op te tillen. Zoals de wiskunde aangeeft, is het belangrijkste voordeel van machines dat ze ons in staat stellen hetzelfde werk te doen door een kleinere hoeveelheid kracht over een grotere afstand uit te oefenen.
Hefboom
'Geef me een hendel en een plek om te staan, en ik zal de wereld bewegen.' Deze opschepperige claim wordt toegeschreven aan de derde-eeuwse Griekse filosoof, wiskundige en uitvinder Archimedes. Hoewel het misschien een beetje overdreven is, drukt het wel de kracht van hefboomwerking uit, die, althans figuurlijk, de wereld beweegt.
Het genie van Archimedes was om te beseffen dat je, om dezelfde hoeveelheid of hetzelfde werk te bereiken, een afweging kon maken tussen kracht en afstand met behulp van een hendel. Zijn wet van de hefboom stelt: "Magnitudes zijn in evenwicht op afstanden die wederzijds evenredig zijn met hun gewichten", aldus "Archimedes in de 21e eeuw", een virtueel boek van Chris Rorres aan de New York University.
De hendel bestaat uit een lange balk en een draaipunt of draaipunt. Het mechanische voordeel van de hendel hangt af van de verhouding van de lengtes van de balk aan weerszijden van het draaipunt.
Stel dat we een 100-lb willen tillen. (45 kilogram) weegt 61 cm boven de grond. We kunnen 100 pond uitoefenen. kracht op het gewicht in opwaartse richting over een afstand van 2 voet, en we hebben 200 pond-voet (271 Newton-meter) werk gedaan. Als we echter een hendel van 30 voet (9 m) zouden gebruiken met één uiteinde onder het gewicht en een steunpunt van 1 voet (30,5 cm) onder de balk op 10 voet (3 m) van het gewicht, zouden we alleen aan de andere kant naar beneden duwen met 50 lbs. (23 kg) kracht om het gewicht op te tillen. We zouden echter het uiteinde van de hendel 4 voet (1,2 m) naar beneden moeten duwen om het gewicht 2 voet op te tillen. We hebben een afweging gemaakt waarbij we de afstand die we nodig hadden om de hendel te verplaatsen hebben verdubbeld, maar we hebben de benodigde kracht gehalveerd om dezelfde hoeveelheid werk te doen.
Hellend vlak
Het hellende vlak is gewoon een vlak oppervlak dat schuin omhoog staat, zoals een helling. Volgens Bob Williams, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het Russ College of Engineering and Technology aan de Ohio University, is een hellend vlak een manier om een last op te tillen die te zwaar zou zijn om recht omhoog te tillen. De hoek (de steilheid van het hellende vlak) bepaalt hoeveel inspanning er nodig is om het gewicht te verhogen. Hoe steiler de helling, hoe meer inspanning er nodig is. Dat betekent dat als we onze 100-lb optillen. gewicht 2 voet door het op een helling van 4 voet op te rollen, verminderen we de benodigde kracht met de helft terwijl we de afstand verdubbelen die het moet worden verplaatst. Als we een helling van 2,4 m zouden gebruiken, zouden we de benodigde kracht kunnen terugbrengen tot slechts 25 lbs. (11,3 kg).
Katrol
Als we diezelfde 100-pond willen tillen. gewicht met een touw, we konden een katrol aan een balk boven het gewicht bevestigen. Hierdoor zouden we naar beneden kunnen trekken in plaats van omhoog aan het touw, maar het vereist nog steeds 100 lbs. van kracht. Als we echter twee katrollen zouden gebruiken - één aan de bovenbalk en de andere aan het gewicht - en we zouden het ene uiteinde van het touw aan de balk bevestigen, dan door de katrol op het gewicht en dan door de katrol op de balk, we zouden alleen aan het touw moeten trekken met 50 lbs. kracht om het gewicht op te tillen, hoewel we het touw 4 voet zouden moeten trekken om het gewicht 2 voet op te tillen. Nogmaals, we hebben een grotere afstand ingeruild voor verminderde kracht.
Als we nog minder kracht willen gebruiken over een nog grotere afstand, kunnen we een blok en een tackle gebruiken. Volgens cursusmateriaal van de Universiteit van South Carolina: "Een blok en takel is een combinatie van katrollen die de hoeveelheid kracht die nodig is om iets op te tillen vermindert. De wisselwerking is dat een langer stuk touw nodig is voor een blok en takel om iets op dezelfde afstand te verplaatsen. "
Hoe eenvoudig katrollen ook zijn, ze worden nog steeds gebruikt in de meest geavanceerde nieuwe machines. Zo gebruikt de Hangprinter, een 3D-printer die meubels ter grootte van een meubel kan bouwen, een systeem van draden en computergestuurde katrollen die aan de muren, de vloer en het plafond zijn verankerd.
Schroef
"Een schroef is in wezen een lang hellend vlak dat om een schacht is gewikkeld, dus het mechanische voordeel ervan kan op dezelfde manier worden benaderd als de helling", aldus HyperPhysics, een website die is geproduceerd door Georgia State University. Veel apparaten gebruiken schroeven om een kracht uit te oefenen die veel groter is dan de kracht die wordt gebruikt om de schroef te draaien. Deze apparaten omvatten bankschroeven en wielmoeren op autowielen. Ze krijgen niet alleen een mechanisch voordeel door de schroef zelf, maar in veel gevallen ook door de hefboomwerking van een lange hendel die wordt gebruikt om de schroef te draaien.
Wig
Volgens het New Mexico Institute of Mining and Technology, "verplaatsen wiggen hellende vlakken die onder lasten worden aangedreven om op te tillen, of in een last om te splitsen of te scheiden". Een langere, dunnere wig geeft meer mechanische voordelen dan een kortere, bredere wig, maar een wig doet iets anders: de belangrijkste functie van een wig is het veranderen van de richting van de invoerkracht. Als we bijvoorbeeld een boomstam willen splitsen, kunnen we een wig met grote kracht naar het einde van de stam drijven met een voorhamer, en de wig zal deze kracht naar buiten richten, waardoor het hout gaat splijten. Een ander voorbeeld is een deurstopper, waarbij de kracht die wordt gebruikt om hem onder de rand van de deur te duwen naar beneden wordt overgebracht, wat resulteert in wrijvingskracht die niet over de vloer glijdt.
Vind een aantal leuke activiteiten met eenvoudige machines in het Museum of Science and Industry in Chicago.
