6 einfache Maschinen: Arbeitserleichterung
Im Laufe der Geschichte haben Menschen mehrere einfache Maschinen entwickelt, um die Arbeit zu erleichtern. Die bemerkenswertesten davon sind als die „sechs einfachen Maschinen“ bekannt: das Rad und die Achse, der Hebel, die schiefe Ebene, die Riemenscheibe, die Schraube und der Keil, obwohl die letzten drei eigentlich nur Erweiterungen oder Kombinationen der ersten sind drei, gem Enzyklopädie Britannica.
Da Arbeit als Kraft definiert ist, die auf ein Objekt in Bewegungsrichtung wirkt, erleichtert eine Maschine die Ausführung von Arbeit, indem sie eine oder mehrere der folgenden Funktionen erfüllt Boston Universität:
- Übertragung einer Kraft von einem Ort zum anderen,
- Änderung der Richtung einer Kraft,
- Erhöhung der Größe einer Kraft, oder
- Erhöhung der Entfernung oder Geschwindigkeit einer Kraft.
Einfache Maschinen sind Geräte ohne oder mit sehr wenigen beweglichen Teilen, die die Arbeit erleichtern. Viele der heutigen komplexen Werkzeuge sind nur Kombinationen oder kompliziertere Formen der sechs einfachen Maschinen, laut der University of Colorado in Boulder. Zum Beispiel können wir einen langen Griff an einer Welle befestigen, um eine Ankerwinde herzustellen, oder einen Flaschenzug verwenden, um eine Last eine Rampe hinaufzuziehen. Obwohl diese Maschinen einfach erscheinen mögen, bieten sie uns weiterhin die Möglichkeit, viele Dinge zu tun, die wir ohne sie nie tun könnten.
Rad und Achse
Das Rad gilt als eine der bedeutendsten Erfindungen der Weltgeschichte. „Vor der Erfindung des Rads im Jahr 3500 v. Chr. Waren Menschen stark eingeschränkt, wie viel und wie weit wir über Land transportieren konnten“, wie Live Science zuvor berichtet hat. Karren mit Rädern erleichterten die Landwirtschaft und den Handel, indem sie den Transport von Waren zu und von Märkten ermöglichten und die Lasten von Menschen verringerten, die große Entfernungen zurücklegten.
Das Rad reduziert die Reibung auftreten, wenn ein Objekt über eine Oberfläche bewegt wird. „Wenn Sie Ihren Aktenschrank auf einen kleinen Wagen mit Rädern stellen, können Sie die Kraft, die Sie aufwenden müssen, um den Schrank mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, erheblich reduzieren“, so die University of Tennessee.
In seinem Buch „Antike Wissenschaft: Vorgeschichte – 500 n. Chr“, schreibt Charlie Samuels, „In Teilen der Welt wurden schwere Gegenstände wie Felsen und Boote mit Baumstammrollen bewegt. Als sich das Objekt vorwärts bewegte, wurden Rollen von hinten genommen und vorne ersetzt.“ Dies war der erste Schritt in der Entwicklung des Rades.
Die große Innovation bestand jedoch darin, ein Rad auf einer Achse zu montieren. Das Rad könnte an einer Achse befestigt sein, die von einem Lager getragen wird, oder es könnte dazu gebracht werden, sich frei um die Achse zu drehen. Dies führte zur Entwicklung von Karren, Wagen und Streitwagen. Laut Samuels verwenden Archäologen die Entwicklung eines Rades, das sich auf einer Achse dreht, als Indikator für eine relativ fortgeschrittene Zivilisation. Die frühesten Beweise für Räder auf Achsen stammen von den Sumerern um 3200 v. Die Chinesen erfanden das Rad 2800 v. Chr. Unabhängig davon
Neben der Verringerung der Reibung können ein Rad und eine Achse auch als Kraftvervielfacher dienen. Wenn ein Rad an einer Achse befestigt ist und eine Kraft verwendet wird, um das Rad zu drehen, ist die Rotationskraft oder das Drehmoment auf der Achse viel größer als die auf die Felge des Rads ausgeübte Kraft. Alternativ kann ein langer Griff an der Achse befestigt werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.
Die anderen fünf Maschinen helfen Menschen dabei, die auf ein Objekt ausgeübte Kraft zu erhöhen und/oder umzulenken. In ihrem Buch „Große Dinge bewegen“, schreiben Janet L. Kolodner und ihre Co-Autoren: „Maschinen bieten einen mechanischen Vorteil, um beim Bewegen von Objekten zu helfen. Mechanischer Vorteil ist der Kompromiss zwischen Kraft und Weg.“ In der folgenden Diskussion der einfachen Maschinen, die die auf ihren Eingang ausgeübte Kraft erhöhen, werden wir die Reibungskraft vernachlässigen, da in den meisten dieser Fälle die Reibungskraft sehr groß ist klein im Vergleich zu den beteiligten Eingangs- und Ausgangskräften.
Wenn eine Kraft über eine Distanz ausgeübt wird, erzeugt sie Arbeit. Mathematisch, wird dies ausgedrückt als W = F × D. Um beispielsweise ein Objekt anzuheben, müssen wir Arbeit leisten, um die Kraft aufgrund von zu überwinden Schwere und das Objekt nach oben bewegen. Um einen doppelt so schweren Gegenstand zu heben, ist doppelt so viel Arbeit erforderlich, um ihn über die gleiche Entfernung zu heben. Es braucht auch doppelt so viel Arbeit, um dasselbe Objekt doppelt so weit zu heben Auburn-Universität. Wie durch die angegeben Mathematik, besteht der Hauptvorteil von Maschinen darin, dass sie es uns ermöglichen, die gleiche Menge Arbeit mit weniger Kraftaufwand über eine größere Distanz zu erledigen.
Hebel
„Gib mir einen Hebel und einen Platz zum Stehen, und ich werde die Welt bewegen.“ Diese prahlerische Behauptung wird dem griechischen Philosophen, Mathematiker und Erfinder des dritten Jahrhunderts zugeschrieben Archimedes. Auch wenn es etwas übertrieben sein mag, drückt es doch die Kraft der Hebelwirkung aus, die zumindest im übertragenen Sinne die Welt bewegt.
Das Genie von Archimedes bestand darin, zu erkennen, dass man, um die gleiche Menge oder Arbeit zu leisten, mit einem Hebel einen Kompromiss zwischen Kraft und Entfernung eingehen konnte. Sein Gesetz des Hebels besagt: „Größen sind im Gleichgewicht bei Abständen, die reziprok proportional zu ihren Gewichten sind“, gemäß „Archimedes im 21. Jahrhundert,“ ein virtuelles Buch von Chris Rorres an der New York University.
Der Hebel besteht aus einem langen Balken und einem Drehpunkt oder Drehpunkt. Der mechanische Vorteil des Hebels hängt vom Verhältnis der Längen des Balkens auf beiden Seiten des Drehpunkts ab.
Sagen wir zum Beispiel, wir wollen ein 100-lb heben. (45 Kilogramm) Gewicht 2 Fuß (61 Zentimeter) über dem Boden. Wir können 100 lbs ausüben. Kraft auf das Gewicht in Aufwärtsrichtung über eine Strecke von 2 Fuß, und wir haben 200 Pfund-Fuß (271 Newtonmeter) Arbeit geleistet. Wenn wir jedoch einen 30 Fuß (9 m) Hebel mit einem Ende unter dem Gewicht und einem 1 Fuß (30,5 cm) Drehpunkt unter dem Balken 10 Fuß (3 m) vom Gewicht entfernt verwenden würden, hätten wir nur am anderen Ende mit 50 lbs nach unten zu drücken. (23 kg) Kraft, um das Gewicht zu heben. Allerdings müssten wir das Ende des Hebels 4 Fuß (1,2 m) nach unten drücken, um das Gewicht 2 Fuß anzuheben. Wir haben einen Kompromiss gemacht, bei dem wir den Abstand verdoppelt haben, den wir zum Bewegen des Hebels mussten, aber wir haben die benötigte Kraft um die Hälfte verringert, um die gleiche Menge an Arbeit zu erledigen.
Schiefe Ebene
Die schiefe Ebene ist einfach eine ebene Fläche, die wie eine Rampe schräg angehoben ist. Laut Bob Williams, Professor an der Fakultät für Maschinenbau am Russ College of Engineering and Technology der Ohio University, ist eine geneigte Ebene eine Möglichkeit, eine Last zu heben, die zu schwer wäre, um sie gerade nach oben zu heben. Der Winkel (die Steilheit der schiefen Ebene) bestimmt, wie viel Kraft erforderlich ist, um das Gewicht zu heben. Je steiler die Rampe, desto mehr Kraftaufwand ist erforderlich. Das heißt, wenn wir unsere 100-Pfund heben. Gewicht 2 Fuß, indem wir es eine 4-Fuß-Rampe hinaufrollen, reduzieren wir die erforderliche Kraft um die Hälfte, während wir die Entfernung verdoppeln, die es bewegt werden muss. Wenn wir eine 2,4 m lange Rampe verwenden würden, könnten wir die erforderliche Kraft auf nur 25 lbs reduzieren. (11,3 kg).
Rolle
Wenn wir die gleichen 100 Pfund heben wollen. Gewicht mit einem Seil, wir könnten eine Rolle an einem Balken über dem Gewicht befestigen. Dadurch könnten wir das Seil nach unten statt nach oben ziehen, aber es erfordert immer noch 100 Pfund. der Kraft. Wenn wir jedoch zwei Rollen verwenden würden – eine am Deckenbalken und die andere am Gewicht – und wir würden ein Ende des Seils am Balken befestigen, führen Sie es durch die Rolle am Gewicht und dann durch die Umlenkrolle am Balken, wir müssten nur mit 50 lbs am Seil ziehen. Kraft, um das Gewicht zu heben, obwohl wir das Seil 4 Fuß ziehen müssten, um das Gewicht 2 Fuß zu heben. Auch hier haben wir eine größere Entfernung gegen eine geringere Kraft eingetauscht.
Wenn wir noch weniger Kraft über eine noch größere Distanz aufwenden wollen, können wir einen Block and Tackle verwenden. Laut Kursmaterialien der University of South Carolina „ist ein Block and Tackle eine Kombination von Flaschenzügen, die die zum Anheben erforderliche Kraft verringert. Der Kompromiss besteht darin, dass für einen Block and Tackle ein längeres Seil erforderlich ist um etwas die gleiche Distanz zu bewegen.“
So einfach Riemenscheiben auch sind, sie finden immer noch Verwendung in den fortschrittlichsten neuen Maschinen. Zum Beispiel der Hangprinter, a 3D Drucker die Objekte in Möbelgröße bauen kann, verwendet ein System aus Drähten und computergesteuerten Flaschenzügen, die an Wänden, Boden und Decke verankert sind.
Schraube
„Eine Schnecke ist im Wesentlichen eine lange geneigte Ebene, die um eine Welle gewickelt ist, sodass ihr mechanischer Vorteil auf die gleiche Weise angegangen werden kann wie die Neigung“, so Georgia State University. Viele Vorrichtungen verwenden Schrauben, um eine Kraft auszuüben, die viel größer ist als die Kraft, die zum Drehen der Schraube verwendet wird. Zu diesen Vorrichtungen gehören Schraubstöcke und Radmuttern an Autorädern. Sie gewinnen einen mechanischen Vorteil nicht nur durch die Schraube selbst, sondern in vielen Fällen auch durch die Hebelwirkung eines langen Griffs, der zum Drehen der Schraube verwendet wird.
Keil
Laut der New Mexico Institut für Bergbau und Technologie, „Keile sind bewegliche schiefe Ebenen, die unter Lasten gefahren werden, um sie anzuheben, oder in eine Last hineingefahren werden, um sie zu spalten oder zu trennen.“ Ein längerer, dünnerer Keil bietet mehr mechanischen Vorteil als ein kürzerer, breiterer Keil, aber ein Keil tut etwas anderes: Die Hauptfunktion eines Keils besteht darin, die Richtung der Eingangskraft zu ändern. Wenn wir beispielsweise einen Baumstamm spalten möchten, können wir mit einem Vorschlaghammer einen Keil mit großer Kraft nach unten in das Ende des Baumstamms treiben, und der Keil wird diese Kraft nach außen umleiten, wodurch das Holz gespalten wird. Ein weiteres Beispiel ist ein Türstopper, bei dem die Kraft, die verwendet wird, um ihn unter die Türkante zu drücken, nach unten übertragen wird, was zu einer Reibungskraft führt, die einem Rutschen über den Boden widersteht.
Zusätzliche Ressourcen
John H. Lienhard, emeritierter Professor für Maschinenbau und Geschichte an der University of Houston, nimmt „Ein weiterer Blick auf die Erfindung des Rades.“ Sehen Sie sich das Zentrum für Wissenschaft und Industrie in Columbus, Ohio, an, das eine hat interaktive Erklärung von einfachen Maschinen. HyperPhysik – eine Website der Georgia State University – hat auch illustrierte Erklärungen der sechs einfachen Maschinen.
Literaturverzeichnis
Illinois State University, „Ressourceninformationen zum Unterrichten einfacher Maschinen“, Januar 2022.
Regierung des Bundesstaates Victoria, „Einfache Maschinen“, März 2019.
Kanada Museum für Wissenschaft und Technologie, “Bildungsprogramme: Einfache Maschinen“, Januar 2022.
Yi Zhang et al., „Einführung in Mechanismen“, Carnegie Mellon University, Januar 2022.