ENKLA MASKINER: HISTORIK, EGENSKAPER, TYPER, EXEMPEL - TEKNOLOGI - 2025

De enkla maskinerna är mekaniska anordningar som ändrar styrkans riktning eller riktning. De kan generellt definieras som den mest nakna benapparaten som använder en mekanisk fördel, även kallad hävstångseffekt, för att öka en kraft.

Under hela historien har människor utvecklat olika enheter för att underlätta arbetet. De viktigaste är kända som de sex typerna av enkla maskiner: spaken, hjulet och axeln, remskivan, det lutande planet, kilen och skruven.

Källa: John Mills

När du hör ordmaskinen tänker du på något som en grävmaskin eller en ångmotor. Men inom vetenskapen är en maskin allt som gör en kraft större.

En maskin kan öka mängden producerad kraft till en kostnadsfördelning av en proportionell minskning av avståndet som lasten rör sig. Mekanisk fördel kallas förhållandet mellan den producerade kraften och den kraft som appliceras.

En enkel maskin använder en enda applicerad kraft som arbetar mot en enda lastkraft. Genom att ignorera friktionsförluster är arbetet som utförts på lasten lika med det arbete som utförts av den applicerade kraften.

Elementära block

Enkla maskiner finns överallt och används varje dag för att utföra enkla uppgifter. De har också använts sedan de tidigaste dagarna av mänsklig existens.

Enkla maskiner kan betraktas som de elementära blocken som alla mer komplexa maskiner består av, kallade sammansatta maskiner.

I mekanismen för en cykel används till exempel remskivor, spakar och hjul. Den mekaniska fördelen med en sammansatt maskin är inget annat än resultatet av de mekaniska fördelarna med de enkla maskiner som komponerar den.

Men även om de fortsätter att betraktas som mycket viktiga inom mekanik och tillämpad vetenskap, har modern mekanik övergått visionen om enkla maskiner som de elementära blocken som alla maskiner består av.

Historia

Inledande idéer

Runt 300-talet f.Kr. C. startade idén om en enkel maskin med den grekiska filosofen Archimedes, som studerade följande enkla maskiner: spak, remskiva och skruv.

Han upptäckte i spaken principen om mekanisk fördel. Hans berömda kommentar beträffande spaken: "Ge mig en plats att luta och jag kommer att röra jorden" uttrycker hans förståelse att det inte fanns någon gräns för mängden kraftökning som kunde uppnås med användning av mekanisk fördel.

Senare grekiska filosofer definierade fem klassiska enkla maskiner och kunde beräkna den mekaniska fördelen de hade.

I sitt arbete Mechanics listar till exempel Heron of Alexandria (10-75 e.Kr.) fem enheter som kan sätta en belastning i rörelse: remskiva, hjul och axel, spak, skruv och kil, med information om tillverkning och användning.

Grekarnas kunskap begränsades emellertid till statistiken för enkla maskiner (kraftsbalansen), inklusive dynamik, begreppet arbete eller avvägningen mellan kraft och avstånd.

Renässansperiod

De mekaniska krafternas dynamik, som enkla maskiner kallades, började studeras under renässansen, utifrån hur långt en last kunde lyftas, utöver den kraft som kunde appliceras, vilket så småningom ledde till det nya konceptet mekaniskt arbete.

Den mekaniska fördelen med det lutande planet drogs av den flamländska ingenjören Simon Stevin 1586. Det inkluderades tillsammans med de andra enkla maskinerna.

Den italienska forskaren Galileo Galilei utarbetade 1600 den kompletta dynamiska teorin om enkla maskiner, i sitt arbete Le Meccaniche, där han avslöjade den underliggande matematiska likheten som kraftförstärkare för dessa maskiner. Han var den första som förklarade att enkla maskiner inte skapade energi, de förvandlade bara den.

Leonardo da Vinci upptäckte de klassiska reglerna för glidfriktion i maskiner, men de publicerades inte eller dokumenterades i hans primer. 1699 återupptäckte Guillaume Amontons dessa regler och 1785 utvecklades de av Charles-Augustin de Coulomb.

egenskaper

Enkla maskiner är enheter med inga eller mycket få rörliga delar, vilket underlättar arbetet. Huvudfunktionen för en enkel maskin är förstärkning av kraften eller ändring av rörelsen.

Rörelse och kraft

Rörelse och kraft i en enkel maskin är oskiljbara. De är alltid i omvänd relation.

Kraften som produceras av en spak är större än den kraft som appliceras på den, men rörelsen som produceras är mindre än den rörelse som appliceras. Det vill säga en förstärkning i styrka åtföljs av en förlust i rörelse.

Jobb

I mekanik är arbete något som krafter gör när de rör sig i den riktning de agerar. Det vill säga när en kraft appliceras för att resa ett avstånd produceras arbete. Detta uttrycks matematiskt som: Arbeta = kraft × avstånd.

För att till exempel lyfta ett föremål måste arbete göras som överskrider tyngdkraften och därmed kunna flytta objektet uppåt.

För att lyfta ett föremål dubbelt så tungt tar det dubbelt så mycket arbete för att lyfta det samma avståndet. Det skulle också kräva dubbelt så mycket arbete att lyfta samma objekt två gånger så långt.

Detta arbetskoncept är grundläggande för att definiera den mekaniska funktionen i enkla maskiner i form av kraft och rörelse, vilket belyser kraften och rörelsens oskiljaktighet.

Mekanisk fördel

Det är förhållandet mellan kraften som utför arbete med avseende på den tillämpade kraften. Därför är det kraftförstärkningens effektivitet för en enkel maskin.

Den mekaniska fördelen med enkla maskiner innebär att mindre kraft kan användas för att flytta ett föremål, men det måste flyttas på ett längre avstånd.

Många gånger anses en uppgift vara svår eftersom den kräver mycket kraft. Att använda avvägningen mellan avstånd och styrka kan göra uppgiften mycket lättare att slutföra.

Ett exempel är att skjuta ett tungt föremål nerför en ramp. Det är lättare att skjuta föremålet nerför rampen än att lyfta det till rätt höjd, men det måste bäras längre.

Vad är enkla maskiner för?

Enkla maskiner underlättar arbetet genom att utföra en eller flera av följande funktioner:

- Överför en kraft från en plats till en annan.

- Ändra riktningen för en kraft.

- Öka styrkans storlek.

- Öka avståndet för en kraft.

Även om enkla maskiner har många olika former finns de i sex grundtyper:

- Kil: enhet för att separera saker.

- Hjul och axel: används för att minska friktion och som kraftmultiplikator.

- Spak: rör sig runt ett stöd för att öka eller minska mekanisk fördel.

- Lutande plan: lyfta föremål när du klättrar en sluttning.

- Skruv: en enhet som kan lyfta eller hålla föremål tillsammans.

- Remskiva: ändrar riktningen för en kraft.

Öka den applicerade kraften

Enkla maskiner hjälper människor att öka kraften som appliceras på ett föremål. De ger en mekanisk fördel för att förflytta föremål.

Som arbetsformeln indikerar är den största fördelen med enkla maskiner att tillåta samma mängd arbete genom att tillämpa en mindre mängd kraft över ett större avstånd.

Till exempel vill du lyfta ett föremål som väger 10 kg 2 meter från marken. 10 kg kraft kan utövas på föremålet i uppåtgående riktning, i ett avstånd av 2 meter, vilket gör 20 Newton arbete.

Om en 3 meter spak användes, placera föremålet i ena änden och placera en 10 cm stödplan under stången på 1 meters avstånd från objektet, för att lyfta föremålet måste du trycka ner i den andra änden med en kraft på bara 5 kg.

Men änden av spaken måste tryckas ner 4 meter för att bara lyfta föremålet 2 meter.

Det finns en avvägning. Genom att sänka spaken fördubblas det föregående avståndet, men minskar kraften med hälften och gör samma arbete.

typer

Spak

Det är en typ av styv stång som stöds av ett fast stöd. Den består av en last, som är föremålet som ska flyttas eller lyftas, ett hjul, som är pivoten, och en ansträngning, som är den kraft som krävs för att flytta eller lyfta lasten.

Att applicera en kraft på den ena änden av spaken skapar en större kraft i den andra änden. Den pålagda kraften kommer att öka eller minska beroende på avståndet från stödbenet till belastningen och spänningen.

Hjul och axel

Det består av ett hjul fäst vid en mindre axel så att dessa två delar roterar ihop, där en kraft överförs från en till en annan. Ett gångjärn stöder axeln, vilket tillåter rotation.

Det underlättar arbetet med att flytta föremål över avstånd. Hjulet, som är den runda änden, roterar med den cylindriska axeln och orsakar rörelsen.

Det kan också förstärka kraften. En liten kraft som appliceras på ett stort hjuls omkrets kan förflytta en större last fäst på en axel.

Remskiva

Det är utformat för att stödja rörelsen och riktningsförändringen för ett stram rep. Repet lindas runt ett hjul. När hjulet svänger rör sig repet i valfri riktning.

Om en krok är ansluten till repet kan hjulets rotation användas för att höja och sänka föremål, vilket underlättar arbetet.

Lutande plan

Det är en plan yta, med en ände högre än den andra, som används som stöd för att höja eller sänka en last. De används ofta för att flytta tunga belastningar över vertikala hinder.

Att flytta ett föremål uppåt i ett lutande plan kräver mindre kraft än att lyfta det direkt, på bekostnad av en ökning av det körda avståndet.

Den mekaniska fördelen med ett lutande plan är lika med förhållandet mellan den lutande ytans längd och den höjd som det täcker.

Vagga

Det är ett triangulärt verktyg. Det kan användas för att separera två objekt, ta bort bitar av ett objekt, lyfta det eller hålla ett objekt på plats.

Det fungerar genom att omvandla en kraft som appliceras på dess trubbiga ände till krafter vinkelrätt mot dess lutande yta.

Den mekaniska fördelen ges av förhållandet mellan sluttningens längd och bredd.

Skruva

Det är en mekanism som omvandlar rotationsrörelsen till linjär rörelse och rotationskraften (vridmoment) till en linjär kraft. En skruv är verkligen en annan typ av lutande plan.

Dess vanligaste form består av en cylindrisk axel med spiralformade spår som kallas gängor längs utsidan.

Skruven passerar genom ett hål i ett annat föremål eller medium med inre gängor som ingriper med skruvgängorna.

exempel

Levers

Några exempel på spakar är dörrhandtag, klor på en spikborttagningshammer, järnspakar, ljusbrytare, flasköppnare och gångjärn.

Källa: pixabay.com

Hjul och axlar

De hittas där saker går runt i en cirkel, som en elektrisk fläkt, en motor, en roterande dörr, en karusell och valfritt hjul, oavsett om det är i bilen, på ett skateboard eller på en cykel.

Källa: pixabay.com

remskivor

De används i gardiner och persienner för att flytta dem upp och ner, eller fram och tillbaka.

De kan ta upp något från marken, som en flagga på en stolpe. Repet dras ner, men flaggan går upp.

De används också i industrin för att höja och sänka tunga laster, på fartyg för att höja och sänka segel eller i kranar som ska användas på rörlig byggutrustning.

Hissar använder också remskivor för att flytta bilen ner och upp från golv till golv.

Källa: pixabay.com

Lutande plan

De används i skoterparker, rullstolsramper och för att flytta tung utrustning in och ut ur lastbilens baksida.

Modifierade versioner av en ramp finns på trappor, rulltrappor, vandringsleder och även på bilder som används för att släppa post i brevlådan, ända upp till ett tåg som går uppför en sluttning.

Källa: pexels.com

Vagga

Några exempel på kil som används för att separera kan vara en spade, en kniv, en yxa, en pickaxe, en såg, en sax eller en isplockning.

Kilar kan också hålla saker ihop, som när det gäller en häftklammer, stift, klibb, spik eller dörrstopp.

Källa: pixabay.com

Skruva

Några exempel är på en borr, ett burklock, en glödlampa, en bult, flaskhattar, kranar och pennor.

En annan användning av skruven är i en anordning som kallas en skruvpump. Det är en enorm skruvformad hydraulmaskin som går i vattnet. När den roterar, tack vare sin skruvform, går vattnet upp i den vridna axeln och stiger där det behövs. Skruvpumpar används ofta för bevattning och i jordbruksmiljöer som gårdar.

Källa: pixabay.com

referenser

1. Wikipedia, gratis encyklopedi (2019). Enkel maskin. Hämtad från: en.wikipedia.org.
2. Idaho Public Television (2019). Enkla maskiner: fakta. Hämtad från: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 enkla maskiner: underlätta arbetet. Levande vetenskap. Hämtad från: livescience.com.
4. Teach Engineering (2019). Teknik: enkla maskiner. Hämtad från: teachengineering.org.
5. För lärare för studenter (2019). Vad är enkla maskiner? Hämtad från: forteachersforstudents.com.au.
6. Victoria State Government (2019). Enkla maskiner. Hämtad från: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). De sex typerna av enkla maskiner. Hämtad från: vexrobotics.com.