Απλές μηχανές και πώς λειτουργούν
Απλές μηχανές είναι εργαλεία με λίγα ή καθόλου κινούμενα μέρη που αλλάζουν το μέγεθος ή την κατεύθυνση μιας δύναμης. Βασικά, πολλαπλασιάζουν τη δύναμη και διευκολύνουν την εργασία. Ακολουθεί μια ματιά στους τύπους απλών μηχανών, τον τρόπο λειτουργίας και τις χρήσεις τους.
Τι είναι ένα απλό μηχάνημα;
Μια μηχανή είναι μια συσκευή που εκτελεί εργασία ασκώντας δύναμη σε απόσταση. Οι απλές μηχανές λειτουργούν ενάντια σε μία μόνο δύναμη φορτίου με τρόπο που αυξάνει τη δύναμη εξόδου μειώνοντας την απόσταση που κινείται το φορτίο. Ο λόγος της δύναμης εξόδου προς την εφαρμοζόμενη δύναμη ονομάζεται μηχανικό πλεονέκτημα του μηχανήματος.
Πώς λειτουργούν οι απλές μηχανές
Βασικά, ένα απλό μηχάνημα βασίζεται σε μία ή περισσότερες από τις ακόλουθες στρατηγικές:
- Αλλάζει την κατεύθυνση μιας δύναμης.
- Αυξάνει το μέγεθος μιας δύναμης.
- Το μηχάνημα μεταφέρει μια δύναμη από μια θέση σε άλλη.
- Αυξάνει την ταχύτητα ή την απόσταση μιας δύναμης.
6 Απλές Μηχανές
Υπάρχουν έξι απλές μηχανές:ο τροχός και ο άξονας, ο μοχλός, το κεκλιμένο επίπεδο, η τροχαλία, η βίδα και η σφήνα.
Τροχός και άξονας
Ο τροχός και ο άξονας διευκολύνουν τη μεταφορά βαρέων εμπορευμάτων και βοηθούν τους ανθρώπους να διανύουν αποστάσεις. Ένας τροχός έχει μικρό αποτύπωμα, επομένως μειώνει την τριβή όταν μετακινείτε ένα αντικείμενο πάνω από μια επιφάνεια. Για παράδειγμα, υπάρχει πολύ μεγαλύτερη τριβή στο να σύρετε ένα ψυγείο στο πάτωμα παρά στο να το μετακινήσετε σε ένα καρότσι. Ένας τροχός και ένας άξονας είναι επίσης ένας πολλαπλασιαστής δύναμης. Η δύναμη εισόδου περιστρέφει τον τροχό, δημιουργώντας μια περιστροφική δύναμη ή ροπή, αλλά η ροπή είναι πολύ μεγαλύτερη στον άξονα παρά στο χείλος του τροχού. Μια μακριά λαβή που είναι προσαρτημένη σε έναν άξονα επιτυγχάνει συγκρίσιμο αποτέλεσμα.
Μοχλός
Ένας μοχλός κάνει μια αντιστάθμιση μεταξύ δύναμης και απόστασης. Η τραμπάλα είναι ένα γνωστό παράδειγμα αυτού του τύπου απλού μηχανήματος. Ένας μοχλός έχει μια μακριά δέσμη και έναν άξονα περιστροφής ή υπομόχλιο. Ανάλογα με την τοποθέτηση του υποστηρίγματος, μπορείτε είτε να χρησιμοποιήσετε ένα μοχλό για την ανύψωση βαρύ φορτίου σε απόσταση μικρότερη από τη δύναμη εισόδου είτε ένα ελαφρύτερο φορτίο σε μεγαλύτερη απόσταση από τη δύναμη εισόδου.
Κεκλιμένο επίπεδο
Ένα κεκλιμένο επίπεδο είναι μια ράμπα ή μια γωνιακή επίπεδη επιφάνεια. Αυξάνει την απόσταση μιας δύναμης. Ένα κεκλιμένο επίπεδο βοηθά στην ανύψωση φορτίων που είναι πολύ βαριά για να σηκωθούν ευθεία. Όμως, όσο πιο απότομη είναι η ράμπα, τόσο περισσότερη προσπάθεια χρειάζεστε. Για παράδειγμα, το να σκαρφαλώνεις σε ράμπα είναι πολύ πιο εύκολο από το να πηδάς σε μεγάλο ύψος. Η ανάβαση σε μια απότομη ράμπα απαιτεί πολύ περισσότερη προσπάθεια από το να ανεβείτε σε μια ήπια πλαγιά.
Τροχαλία
Μια τροχαλία είτε αλλάζει την κατεύθυνση μιας δύναμης είτε ανταλλάσσει αυξημένη δύναμη για μειωμένη απόσταση. Για παράδειγμα, χρειάζεται πολλή δύναμη για να τραβήξετε έναν κουβά νερό απευθείας από ένα πηγάδι. Η τοποθέτηση μιας τροχαλίας επιτρέπει να τραβήξετε προς τα κάτω στο σχοινί αντί να ανεβείτε, αλλά χρειάζεται την ίδια δύναμη. Ωστόσο, εάν χρησιμοποιείτε δύο τροχαλίες, με τη μία προσαρτημένη στον κάδο και την άλλη σε μια δοκό πάνω από το κεφάλι, εφαρμόζετε μόνο τη μισή δύναμη για να τραβήξετε τον κάδο προς τα πάνω. Η αντιστάθμιση είναι ότι διπλασιάζετε την απόσταση του σχοινιού που τραβάτε. Το μπλοκ και το τάκλιν είναι ένας συνδυασμός τροχαλιών που μειώνει ακόμη περισσότερο την απαραίτητη δύναμη.
Βίδα
Μια βίδα είναι ουσιαστικά ένα κεκλιμένο επίπεδο, εκτός από το ότι τυλίγεται γύρω από έναν άξονα. Η κλίση διευκολύνει την άσκηση μεγαλύτερης δύναμης για το γύρισμα της βίδας. Η χρήση μιας μακριάς λαβής, όπως ένα κατσαβίδι, αυξάνει το μηχανικό πλεονέκτημα. Οι βίδες χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή ως παξιμάδια στους τροχούς του αυτοκινήτου και για τη συγκράτηση των εξαρτημάτων μεταξύ τους σε μηχανήματα και έπιπλα.
Σφήνα
Μια σφήνα είναι ένα κινούμενο κεκλιμένο επίπεδο που λειτουργεί αλλάζοντας την κατεύθυνση της δύναμης εισόδου. Οι συνήθεις χρήσεις των σφηνών είναι για το σχίσιμο τεμαχίων και την ανύψωση φορτίων. Για παράδειγμα, ένα τσεκούρι είναι μια σφήνα. Το ίδιο και ένα στοπ πόρτας. Το τσεκούρι κατευθύνει τη δύναμη ενός χτυπήματος προς τα έξω, χωρίζοντας ένα κούτσουρο σε κομμάτια. Ένα στοπ πόρτας μεταφέρει τη δύναμη μιας κινούμενης πόρτας προς τα κάτω, παράγοντας τριβή που την εμποδίζει να γλιστρήσει πάνω από το πάτωμα.
Ιδανικές απλές μηχανές
Ένα ιδανικό απλό μηχάνημα είναι αυτό που δεν χάνει ενέργεια λόγω τριβής, παραμόρφωσης ή φθοράς. Σε μια τέτοια περίπτωση, η ισχύς που δίνετε στο μηχάνημα ισούται με την ισχύ εξόδου του.
Pέξω =Pσε
Σε ένα ιδανικό απλό μηχάνημα, το μηχανικό πλεονέκτημα είναι η αναλογία της δύναμης έξω προς τη δύναμη μέσα:
MA =Fέξω / Fσε
Η ισχύς ισούται με την ταχύτητα πολλαπλασιαζόμενη με τη δύναμη:
Fέξω νέξω =Fσε νσε
Από αυτό προκύπτει ότι το μηχανικό πλεονέκτημα μιας ιδανικής μηχανής είναι ο λόγος ταχύτητάς της:
MAιδανικό =Fέξω / Fσε =νσε / νέξω
Η αναλογία ταχύτητας ισούται επίσης με την αναλογία της απόστασης που διανύθηκε με την πάροδο του χρόνου:
MAιδανικό =dσε /dέξω
Σημειώστε ότι οι ιδανικές απλές μηχανές υπακούουν στο νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Με άλλα λόγια, δεν μπορούν να κάνουν περισσότερη δουλειά από αυτή που παίρνουν από τη δύναμη εισόδου.
- Αν MA> 1, τότε η δύναμη εξόδου είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη εισόδου, αλλά το φορτίο κινείται σε μικρότερη απόσταση από την απόσταση που μετακινείται από τη δύναμη εισόδου.
- Αν MA <1, τότε η δύναμη εξόδου είναι μικρότερη από τη δύναμη εισόδου και το φορτίο κινείται σε μεγαλύτερη απόσταση από την απόσταση που μετακινείται από τη δύναμη εισόδου.
Τριβή και αποτελεσματικότητα
Στην πραγματική ζωή, οι μηχανές έχουν τριβή. Μέρος της ισχύος εισόδου χάνεται ως θερμότητα. Η ενέργεια διατηρείται, επομένως η ισχύς εισόδου ισούται με το άθροισμα της ισχύος εξόδου και της τριβής:
Pσε =Pέξω + Pτριβή
Μηχανική απόδοση η είναι ο λόγος της ισχύος εξόδου προς την ισχύ εισόδου. Είναι ένα μέτρο της απώλειας ενέργειας λόγω τριβής και κυμαίνεται από 0 (όλη η ισχύς που χάνεται λόγω τριβής) έως 1 (μια ιδανική απλή μηχανή):
η =Pέξω / Pσε
Εφόσον η ισχύς ισούται με το γινόμενο της δύναμης και της ταχύτητας, το μηχανικό πλεονέκτημα μιας πραγματικής απλής μηχανής είναι:
MA =Fέξω / Fσε =η (νin / νέξω )
Σε ένα μη ιδανικό μηχάνημα, το μηχανικό πλεονέκτημα είναι πάντα μικρότερο από τον λόγο ταχύτητας. Αυτό σημαίνει ότι μια μηχανή με τριβή δεν κινεί ποτέ τόσο μεγάλο φορτίο όσο η αντίστοιχη ιδανική μηχανή της.
Ιστορικό
Οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν απλές μηχανές από την αρχαιότητα, χωρίς να καταλαβαίνουν πώς λειτουργούν. Οι Μεσοποτάμιοι πιθανότατα επινόησαν τον τροχό μεταξύ 4200 και 4000 π.Χ. Οι ιστορικοί πιστώνουν στον Έλληνα φιλόσοφο Αρχιμήδη την περιγραφή των απλών μηχανών. Τον 3ο αιώνα π.Χ., ο Αρχιμήδης περιέγραψε την έννοια του μηχανικού πλεονεκτήματος στο μοχλό. Μελέτησε επίσης τη βίδα και την τροχαλία. Οι Έλληνες φιλόσοφοι υπολόγισαν το μηχανικό πλεονέκτημα των πέντε από τις έξι απλές μηχανές (όχι του κεκλιμένου επιπέδου). Τον 16ο αιώνα, ο Λεονάρντο ντα Βίντσι περιέγραψε τους κανόνες της τριβής ολίσθησης, αν και δεν δημοσίευσε αυτό το έργο. Ο Guillaume Amontons ανακάλυψε ξανά τους κανόνες της τριβής το 1699.
Αναφορές
- Asimov, Isaac (1988). Κατανόηση της Φυσικής . Νέα Υόρκη:Barnes &Noble. ISBN 978-0-88029-251-1.
- Morris, Christopher G. (1992). Λεξικό Ακαδημαϊκού Τύπου Επιστήμης και Τεχνολογίας . Gulf Professional Publishing. ISBN 9780122004001.
- Ostdiek, Vern; Bord, Donald (2005). Έρευνα στη Φυσική . Τόμπσον Μπρουκς/Κόουλ. ISBN 978-0-534-49168-0.
- Paul, Akshoy; Roy, Pijush; Mukherjee, Sanchayan (2005). Μηχανικές Επιστήμες:Μηχανική Μηχανική και Αντοχή Υλικών . Prentice Hall της Ινδίας. ISBN 978-81-203-2611-8.
- Usher, Abbott Payson (1988). Μια ιστορία μηχανικών εφευρέσεων . ΗΠΑ:Εκδόσεις Courier Dover. ISBN 978-0-486-25593-4.
