ПРОСТІ МАШИНИ: ІСТОРІЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТИПИ, ПРИКЛАДИ - ТЕХНОЛОГІЯ - 2025

Ці прості машини представляють собою механічні пристрої , які змінюють величину або напрямок сили. Вони, як правило, можуть бути визначені як найбільш голі кістки, які використовують механічну перевагу, яку також називають важелем, для збільшення сили.

Протягом історії люди розробляли різні пристрої для полегшення роботи. Найважливіші відомі як шість типів простих машин: важіль, колесо і вал, шків, похила площина, клин і гвинт.

Джерело: Джон Міллс

Коли ви чуєте слово машина, ви думаєте про щось на кшталт екскаватора чи парової машини. Однак у науці машина - це все, що робить силу більшою.

Машина може збільшити кількість виробленої сили за рахунок пропорційного зменшення відстані, яку проходить вантаж. Механічною перевагою називається взаємозв'язок між виробленою силою та прикладеною силою.

Проста машина використовує єдину прикладену силу, яка працює проти однієї сили навантаження. Ігноруючи втрати на тертя, робота, виконана на навантаженні, дорівнює роботі, виконаній прикладеній силі.

Елементарні блоки

Прості машини є скрізь, їх щодня використовують для виконання простих завдань. Вони також використовуються з найдавніших днів існування людини.

Прості машини можна вважати елементарними блоками, з яких складаються всі більш складні машини, які називаються складними машинами.

У механізмі велосипеда, наприклад, використовуються шківи, ​​важелі та колеса. Механічна перевага складеної машини - це не що інше, як результат механічних переваг простих машин, які її складають.

Однак, хоча вони і надалі вважаються дуже важливими в механіці та прикладній науці, сучасна механіка переступила таке бачення простих машин як елементарних блоків, з яких складаються всі машини.

Історія

Початкові ідеї

Близько 3 століття до н. С. зародилася ідея простої машини, з грецьким філософом Архімедом, який вивчав такі прості машини: важіль, шків і гвинт.

Він відкрив у важелі принцип механічної переваги. Його відомий коментар щодо важеля: "Дайте мені місце нахилитися, і я переміщу Землю" висловлює своє розуміння, що не було обмеження щодо збільшення сили, яке можна було б досягти за допомогою механічної переваги.

Пізніше грецькі філософи визначили п'ять класичних простих машин і змогли обчислити механічну перевагу, яку вони мали.

Наприклад, у своїй роботі "Механіка" Герон Олександрійський (10-75 рр. Н. Е.) Перераховує п'ять пристроїв, які можуть задавати навантаження в русі: шківа, колесо і вал, важіль, гвинт і клин, детально описуючи їх виготовлення та використання.

Однак знання греків обмежувались статикою простих машин (співвідношення сил), не враховуючи динаміку, концепцію роботи або компромісу між силою та дистанцією.

Епоха Відродження

Динаміку механічних сил, як називали прості машини, почали вивчати в епоху Відродження з точки зору того, як далеко можна підняти навантаження, крім сили, яка могла бути застосована, що в підсумку призвело до нової концепції механічна робота.

Механічну перевагу похилої площини отримав фламандський інженер Саймон Стевін у 1586 р. Він був включений поряд з іншими простими машинами.

Італійський учений Галілео Галілей розробив у 1600 р. Повну динамічну теорію простих машин у своїй праці Le Meccaniche, де він виявив основну математичну схожість як підсилювачі сили цих машин. Він першим пояснив, що прості машини не створюють енергію, вони лише перетворюють її.

Леонардо да Вінчі відкрив класичні правила тертя ковзання в машинах, але вони не були опубліковані або задокументовані в його букварі. У 1699 році Гійом Амонтон знову відкрив ці правила, а в 1785 р. Їх розробив Шарль-Августин де Кулом.

характеристики

Прості машини - це пристрої з відсутністю або дуже мало рухомих деталей, що полегшує роботу. Основна функція простої машини - посилення сили або модифікація руху.

Рух і сила

Рух і сила в простій машині невіддільні. Вони завжди перебувають у зворотному взаємозв'язку.

Сила, що виробляється важелем, більша від прикладеної до неї сили, але створюваний рух менший від прикладеного руху. Тобто, збільшення сили супроводжується втратою в русі.

Робота

У механіці робота - це те, що роблять сили, коли вони рухаються в тому напрямку, в якому вони діють. Тобто, коли застосовується сила для проходження відстані, виробляється робота. Це виражається математично як: робота = сила × відстань.

Наприклад, щоб підняти предмет, слід виконати роботу, яка перевищує силу тяжіння і, таким чином, мати можливість переміщати предмет вгору.

Щоб підняти предмет вдвічі важче, потрібно підняти вдвічі більше роботи, щоб підняти його на ту саму відстань. Так само знадобиться вдвічі більше роботи, щоб підняти один і той же об'єкт вдвічі більше.

Ця концепція роботи є основоположною для визначення механічної функції у простих машинах з точки зору сили та руху, підкреслюючи нероздільність сили та руху.

Механічна перевага

Це взаємозв'язок між силою, яка виконує роботу відносно прикладеної сили. Тому це ефективність посилення сили простої машини.

Механічна перевага простих машин означає, що для переміщення предмета можна використовувати меншу силу, але його потрібно переміщувати на більшу відстань.

Багато разів завдання вважається важким, оскільки воно вимагає великих сил. Використання компромісу між дистанцією та силою може значно полегшити виконання завдання.

Прикладом є штовхання важкого предмета вниз по пандусу. Легше штовхнути об’єкт вниз по пандусу, ніж підняти його на потрібну висоту, але його треба переносити на більшу відстань.

Для чого потрібні прості машини?

Прості машини полегшують роботу, виконуючи одну або кілька з наступних функцій:

- Перенесіть силу з одного місця в інше.

- Зміна напрямку сили.

- Збільшити величину сили.

- Збільшити відстань сили.

Хоча прості машини приймають багато різних форм, вони бувають шести основних типів:

- Клин: пристрій для розділення речей.

- Колесо та вісь: використовується для зменшення тертя та як множник сили.

- Важіль: рухається навколо опори, щоб збільшити або зменшити механічну перевагу.

- Похила площина: піднімайте предмети під час сходження на схил.

- Гвинт: пристрій, який може піднімати або утримувати предмети разом.

- Шків: змінює напрямок сили.

Збільшити прикладену силу

Прості машини допомагають людині збільшувати силу, прикладену до предмета. Вони надають механічну перевагу, що допомагає рухати об’єкти.

Як вказує робоча формула, головна перевага простих машин - це дозволяти виконувати однакову кількість роботи, застосовуючи менший обсяг сили на великій відстані.

Наприклад, ви хочете підняти від землі предмет вагою 10 кілограмів на 2 метри. 10 кг сили можна накласти на предмет у напрямку вгору, на відстань до 2 метрів, таким чином виконуючи роботу 20 ньютонів.

Якщо використовувались 3-метровий важіль, розміщуючи предмет на одному кінці та розміщуючи 10 см опори під бруском на відстані 1 метра від об'єкта, то для підняття предмета вам доведеться натиснути на інший кінець сила всього 5 кілограмів.

Однак кінець важеля доведеться відсунути на 4 метри, щоб підняти предмет лише на 2 метри.

Є компроміс. Опускання важеля подвоює попередню відстань, але зменшує зусилля, необхідне наполовину, виконуючи таку ж роботу.

Типи

Важіль

Це свого роду жорстка планка, яка має фіксовану опору в якості точки опори. Він складається з вантажу, який є предметом, який слід переміщувати або піднімати, опорного опору, який є стрижнем, і зусилля, яке є силою, необхідною для переміщення або підняття вантажу.

Прикладення сили до одного кінця важеля створює більшу силу на іншому кінці. Прикладена сила збільшуватиметься чи зменшуватиметься залежно від відстані від опори до навантаження та напруги.

Колесо і вісь

Він складається з колеса, прикріпленого до меншої осі, так що ці дві частини обертаються разом, де сила передається з однієї на іншу. Шарнір підтримує вал, що дозволяє обертати.

Це полегшує роботу рухомих предметів на відстані. Колесо, яке є круглим кінцем, обертається циліндричною віссю, викликаючи рух.

Це також може посилити силу. Невелика сила, прикладена до окружності великого колеса, може переміщувати більший вантаж, прикріплений до осі.

Шків

Він призначений для підтримки руху та зміни напрямку натягнутої мотузки. Мотузок обмотується навколо колеса. По мірі повороту колеса мотузка рухається в будь-якому напрямку.

Якщо гачок з'єднаний з мотузкою, обертання колеса можна використовувати для підняття та опускання предметів, полегшуючи роботу.

Похила площина

Це плоска поверхня, одним кінцем вище за іншу, яка використовується як опора для підняття або опускання вантажу. Вони широко використовуються для переміщення важких вантажів по вертикальних перешкодах.

Переміщення предмета вгору по похилій площині вимагає меншої сили, ніж підняття його безпосередньо, ціною збільшення пройденої відстані.

Механічна перевага похилої площини дорівнює відношенню довжини похилої поверхні до висоти, яку вона покриває.

Колиска

Це інструмент трикутної форми. З його допомогою можна розділити два об’єкти, вийняти шматки предмета, підняти його або потримати предмет на місці.

Це працює шляхом перетворення сили, прикладеної до його тупого кінця, у сили, перпендикулярні похилій поверхні.

Механічна перевага надається залежністю між довжиною схилу і шириною.

Гвинт

Це механізм, який перетворює обертальний рух у лінійний рух, а обертальну силу (крутний момент) у лінійну силу. Гвинт - це справді інший тип похилої площини.

Найпоширеніша його форма складається з циліндричного валу з гвинтовими канавками, званими нитками уздовж зовнішньої сторони.

Гвинт проходить через отвір в іншому предметі або середовищі внутрішніми нитками, які з'єднуються з гвинтовими нитками.

Приклади

Важелі

Деякі приклади важелів - дверні ручки, кігті на молоточку для зняття цвяхів, залізні важелі, вимикачі світла, відкривачки для пляшок і петлі.

Джерело: pixabay.com

Колеса та осі

Їх можна знайти там, де речі об’їжджаються по колу, як електричний вентилятор, двигун, обертові двері, карусель та будь-яке колесо, будь то в машині, на скейтборді чи на велосипеді.

Джерело: pixabay.com

Шківи

Вони використовуються в шторах і жалюзі для переміщення їх вгору-вниз або назад і вперед.

Вони можуть щось піднести із землі, як прапор на жердині. Мотузка натягнута вниз, але прапор піднімається вгору.

Вони також використовуються в промисловості для підйому та опускання важких вантажів, на кораблях для підйому та опускання вітрил, або в кранах, які будуть використовуватися для переміщення будівельної техніки.

Ліфти також використовують шківи для переміщення автомобіля вниз і вгору від підлоги до підлоги.

Джерело: pixabay.com

Похилі площини

Вони використовуються в скутерних парках, пандусах на інвалідних візках, а також для переміщення важкої техніки в та поза задньої частини вантажних автомобілів.

Модифіковані версії пандуса зустрічаються на сходах, ескалаторах, пішохідних доріжках і навіть на слайдах, які використовуються для скидання пошти в поштову скриньку, аж до поїзда, що йде вниз по схилу.

Джерело: pexels.com

Колиска

Деякі приклади клинів, які використовуються для розділення, можуть бути лопатою, ножем, сокирою, кишкою, пилкою, парою ножиць або льодобором.

Клини також можуть утримувати речі разом, як у випадку зі штапелем, шпильками, шпильками, цвяхами або дверними дверцятами.

Джерело: pixabay.com

Гвинт

Деякі приклади - на дрилі, кришці банки, лампочці, болті, кришках для пляшок, кранах та ручках.

Ще одне використання гвинта - у пристрої, який називається гвинтовим насосом. Це величезна гвинтова гідравлічна машина, яка йде у воду. При обертанні, завдяки своїй гвинтовій формі, вода йде вгору по скрученому валу, піднімаючись туди, де це потрібно. Гвинтові насоси часто використовують для зрошення та в сільськогосподарських умовах, таких як ферми.

Джерело: pixabay.com

Список літератури

1. Вікіпедія, безкоштовна енциклопедія (2019). Проста машина. Взято з: en.wikipedia.org.
2. Громадське телебачення Айдахо (2019). Прості машини: факти. Взято з: idahoptv.org.
3. Джим Лукас (2018). 6 простих машин: спрощення роботи. Жива наука. Взято з: lifecience.com.
4. Навчання інженерії (2019). Техніка: Прості машини. Взято з: teachengineering.org.
5. Для вчителів для студентів (2019). Що таке прості машини? Взято з: forteachersforstudents.com.au.
6. Уряд штату Вікторія (2019). Прості машини. Взято з: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Шість видів простих машин. Взято з: vexrobotics.com.