Wie die 6 Arten von einfachen Maschinen funktionieren

Arbeit wird in der Physik als das Aufbringen einer Kraft definiert, um einen Gegenstand um eine bestimmte Strecke zu bewegen ; Arbeitserhaltung ist ein Grundprinzip einfacher Maschinen. Einfache Maschinen erzeugen eine Kraft, die größer ist als die, die wir direkt anwenden; Die Beziehung zwischen diesen beiden Kräften ist der mechanische Vorteil, den die Maschine bietet. Die sechs einfachen Maschinen, die wir hier beschreiben, sind seit Jahrtausenden im Einsatz, und einige von ihnen wurden vom griechischen Philosophen Archimedes physikalisch beschrieben , der zwischen 287 und 212 v. Chr. lebte. Wenn diese Maschinen kombiniert werden, können sie einen noch größeren mechanischen Vorteil erzeugen, wie im Fall eines Fahrrads.

Die erste Aufzeichnung über die Verwendung des Wortes „Maschine“ ( machina ) stammt aus dem Griechischen, und es war der griechische Dichter Homer im 8. Jahrhundert v. Chr., der es verwendete, um sich auf politische Manipulation zu beziehen. Dem griechischen Dramatiker Aischylos, der zwischen 523 und 426 v. Chr. lebte, wird die Verwendung des Wortes in Bezug auf Theatermaschinen als Deus ex machina („Gott einer Maschine“) zugeschrieben. Diese Maschine war ein Kran, der Schauspieler, die Götter spielten, auf die Bühne hob.

Schauen wir uns die sechs Arten von archimedischen Maschinen an:

Hebel

Ein Hebel ist eine einfache Maschine, die aus einem starren Objekt, dem Hebel (häufig eine Stange aus einem biegefesten Material) und einem Drehpunkt oder Drehpunkt besteht. Das Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des starren Objekts bewirkt, dass es sich um den Stützpunkt dreht, wodurch die Kraft auf das andere Ende des starren Objekts übertragen wird. Es gibt drei Klassen von Hebeln, je nachdem, wo die Kraft aufgebracht wird, wo die übertragene Kraft erhalten wird und wo sich der Drehpunkt am Hebel befindet. Die ersten Aufzeichnungen über die Verwendung eines Hebels wurden um 5000 v. Chr. als Waage gemacht. Archimedes wird der Satz „ Gib mir einen Hebel und einen Stützpunkt und ich werde die Erde bewegen “ zugeschrieben . Das bekannte Wippenspiel und Schubkarren sind alltägliche Beispiele für Hebel.

Rad

Ein Rad ist ein kreisförmiges Objekt, das in seiner Mitte an einer starren Stange, der Achse, befestigt ist. Eine auf das Rad ausgeübte Kraft bewirkt, dass sich die Achse dreht, wodurch die auf das kreisförmige Objekt ausgeübte Kraft relativ zu der auf die Achse wirkenden Kraft verstärkt wird. Der von der Kraft auf das kreisförmige Objekt zurückgelegte Weg ist größer als der Weg, der von der auf die Achse übertragenen Kraft zurückgelegt wird, wodurch die Arbeit gespart wird, wie wir sie am Anfang des Artikels definiert haben. Umgekehrt wird eine Kraft, die auf die Achse ausgeübt wird, um sie in Drehung zu versetzen, in eine Drehung des Rads umgewandelt, wodurch in diesem Fall die Bewegung, die vom Rad zurückgelegte Strecke, verstärkt wird. Ein Rad kann auch als eine Art Hebel interpretiert werden, bei dem die Kraft auf das Rad aufgebracht und bis zum Verbindungspunkt der Achse mit dem kreisförmigen Objekt übertragen wird.Mesopotamien um 3500 v. Autoreifen und Fahrradräder sind die gängigsten Alltagsbeispiele der Rad-Achsen-Kombination.

Schiefe Ebene

Eine schiefe Ebene ist eine ebene Fläche, die mit einer anderen Fläche einen Winkel bildet. Wenn Sie beispielsweise ein Objekt anheben möchten, können Sie es auf einer Oberfläche gleiten lassen, die mit der horizontalen Ebene einen bestimmten Winkel bildet, anstatt es direkt anzuheben. Auf diese Weise wenden wir eine geringere Kraft über eine größere Entfernung an und behalten so die gleiche Arbeit bei, als ob wir sie direkt angehoben hätten. Dies ist im Grunde die einfachste schiefe Ebene, eine Rampe; Es ist weniger Kraft erforderlich, um eine Rampe auf eine höhere Höhe zu erklimmen, als um diese Höhe vertikal zu erklimmen, aber es wird eine größere Distanz zurückgelegt. Rampen wurden von 10.000 bis 8.500 v. Chr. zum Bau großer Gebäude ( Monumentalarchitektur ) verwendet. Im  On-Plane-GleichgewichtArchimedes beschreibt die Schwerpunkte verschiedener geometrischer Flächenfiguren.

Wiege

Der Keil wird oft als doppelt schiefe Ebene betrachtet (beide Seiten des Keils sind schiefe Ebenen), die gleitet, um eine Kraft entlang ihrer Seiten auszuüben. Die Kraft ist senkrecht zu geneigten Oberflächen, sodass sie zwei Objekte trennen oder ein einzelnes Objekt in zwei Teile teilen kann. Äxte, Messer und Meißel sind Keile. Der Türkeil nutzt die Reibungskraft seiner Oberfläche, um die Bewegung der Tür zu behindern, anstatt etwas in zwei Teile zu spalten, aber im Grunde ist es immer noch ein Keil. Der Keil ist die älteste einfache Maschine, die von unseren Vorfahren  Homo erectus  vor mindestens 1,2 Millionen Jahren zur Herstellung von Steinwerkzeugen verwendet wurde.

Schrauben

Eine Schraube ist ein Schaft, der eine schräge Nut über seiner Oberfläche hat. Wenn sich die Schraube dreht, wenn ein paar Kräfte auf ihre Achse ausgeübt werden, wird die Kraft senkrecht zum Schlitz übertragen, wodurch eine Rotationskraft in eine lineare Kraft umgewandelt wird. Es wird häufig zum Verbinden von Gegenständen verwendet, wie es bei der typischen Schraube und dem Bolzen der Fall ist. Die Babylonier in Mesopotamien entwickelten die Schraube im 7. Jahrhundert v. Chr., um Wasser zu heben, damit sie einen Garten mit Wasser aus einem Fluss bewässern konnten. Diese Maschine wurde später als Archimedische Schraube bekannt.

Rolle

Eine Umlenkrolle ist ein Rad mit einer Rille an der Kante, an der ein Seil oder Kabel befestigt werden kann. Es kann verwendet werden, um die Richtung einer Kraft zu ändern oder, wie der Hebel oder das Rad, eine geringere Kraft auf die Resultierende auszuüben, aber für eine größere Entfernung, beide Kräfte verrichten also die gleiche Arbeit. Die aufgebrachte Kraft ist diejenige, die aus dem Spannen des Seils resultiert. Komplexe Rollensysteme können verwendet werden, um die zum Bewegen eines Objekts erforderliche Kraft erheblich zu reduzieren, indem Rollen, die die Richtung der Kraft ändern, mit Rollen kombiniert werden, die die aufzubringende Kraft reduzieren. Die Babylonier verwendeten im siebten Jahrhundert v. Chr. einfache Flaschenzüge; Das erste komplexe Flaschenzugsystem, das mehrere Flaschenzüge kombinierte, wurde um 400 v. Chr. von den Griechen erfunden.

Quellen

• Bautista Paz, Emilio, et al. Eine kurze illustrierte Geschichte von Maschinen und Mechanismen . Dordrecht, Deutschland: Springer, 2010.
• Cecarelli, Marco. Beiträge von Archimedes zur Mechanik und Konstruktion von Mechanismen s. Mechanismus- und Maschinentheorie 72 (2014) 86–93.
• Chondros, Thomas G. Archimedes Leben, Werke und Maschinen. Mechanismus- und Maschinentheorie 45 (2010) 1766–75.
• Pisano, Raffaele und Danilo Capecchi. Über archimedische Wurzeln in Torricellis Mechanik . Das Genie von Archimedes: 23 Jahrhunderte Einfluss auf Mathematik, Wissenschaft und Technik. Hrsg. Paipetis, Stephans A. und Marco Ceccarelli. Internationale Konferenz, Syrakus, Italien, 8.-10. Juni 2010. Dordrecht, Deutschland; Springer, 2010. 17–28.
• Waters, Shaun und George A. Aggidis. Über 2000 Jahre im Rückblick: Wiederbelebung der Archimedischen Schraube, Pumpe zur Turbine . Renewable and Sustainable Energy Reviews 51 (2015) 497–505.