Πώς λειτουργούν οι 6 τύποι απλών μηχανών

Η εργασία ορίζεται στη φυσική ως η εφαρμογή μιας δύναμης για να μετακινηθεί ένα αντικείμενο σε μια ορισμένη απόσταση . Η διατήρηση της εργασίας είναι βασική αρχή των απλών μηχανών. Οι απλές μηχανές παράγουν δύναμη μεγαλύτερη από αυτή που ασκούμε άμεσα. η σχέση μεταξύ αυτών των δύο δυνάμεων είναι το μηχανικό πλεονέκτημα που παρέχει η μηχανή. Οι έξι απλές μηχανές που περιγράφουμε εδώ χρησιμοποιούνται εδώ και χιλιάδες χρόνια, και αρκετές από αυτές περιγράφηκαν φυσικά από τον Έλληνα φιλόσοφο Αρχιμήδη , ο οποίος έζησε μεταξύ 287 και 212 π.Χ. Όταν αυτά τα μηχανήματα συνδυάζονται μπορούν να δημιουργήσουν ένα ακόμη μεγαλύτερο μηχανικό πλεονέκτημα, όπως στην περίπτωση ενός ποδηλάτου.

Η πρώτη καταγραφή της χρήσης της λέξης «μηχανή» ( machina ) ήταν στα ελληνικά και ήταν ο Έλληνας ποιητής Όμηρος τον όγδοο αιώνα π.Χ. που τη χρησιμοποίησε για να αναφερθεί στην πολιτική χειραγώγηση. Ο Έλληνας θεατρικός συγγραφέας Αισχύλος, ο οποίος έζησε μεταξύ 523 και 426 π.Χ., πιστώνεται ότι χρησιμοποίησε τη λέξη σε σχέση με τις θεατρικές μηχανές ως deus ex machina («θεός μιας μηχανής»). Αυτό το μηχάνημα ήταν ένας γερανός που σήκωνε ηθοποιούς που έπαιζαν θεούς στη σκηνή.

Ας δούμε τους έξι τύπους Αρχιμήδειων μηχανών:

Μοχλός

Ο μοχλός είναι μια απλή μηχανή που αποτελείται από ένα άκαμπτο αντικείμενο, το μοχλό (συχνά μια ράβδο κατασκευασμένη από κάποιο είδος υλικού ανθεκτικό στην κάμψη) και ένα υπομόχλιο ή άξονα περιστροφής. Η εφαρμογή μιας δύναμης στο ένα άκρο του άκαμπτου αντικειμένου προκαλεί την περιστροφή του γύρω από το σημείο στήριξης, προκαλώντας τη μετάδοση της δύναμης στο άλλο άκρο του άκαμπτου αντικειμένου. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες μοχλών ανάλογα με το πού εφαρμόζεται η δύναμη, πού επιτυγχάνεται η μεταδιδόμενη δύναμη και τη θέση του υπομόχλιου στο μοχλό. Η πρώτη αναφορά για τη χρήση μοχλού ήταν ως ζυγός γύρω στο 5000 π.Χ. Στον Αρχιμήδη αποδίδεται η φράση « Δώσε μου ένα μοχλό και ένα σημείο στήριξης και θα κινήσω τη Γη ». Το γνωστό παιχνίδι της τραμπάλας και των καροτσιών είναι καθημερινά παραδείγματα μοχλών.

Ρόδα

Ο τροχός είναι ένα κυκλικό αντικείμενο που συνδέεται στο κέντρο του σε μια άκαμπτη ράβδο, τον άξονα. Μια δύναμη που ασκείται στον τροχό προκαλεί την περιστροφή του άξονα, ενισχύοντας τη δύναμη που ασκείται στο κυκλικό αντικείμενο σε σχέση με τη δύναμη που ασκείται στον άξονα. Η απόσταση που καλύπτεται από τη δύναμη στο κυκλικό αντικείμενο θα είναι μεγαλύτερη από την απόσταση που διανύει η δύναμη που μεταδίδεται στον άξονα, διατηρώντας έτσι το έργο, όπως το ορίσαμε στην αρχή του άρθρου. Αντίθετα, μια δύναμη που ασκείται στον άξονα για να τον κάνει να περιστρέφεται μεταφράζεται σε περιστροφή του τροχού, ενισχύοντας σε αυτή την περίπτωση την κίνηση, την απόσταση που διανύει ο τροχός. Ένας τροχός μπορεί επίσης να ερμηνευθεί ως ένας τύπος μοχλού στον οποίο η δύναμη εφαρμόζεται στον τροχό και μεταδίδεται στο σημείο όπου ο άξονας ενώνεται με το κυκλικό αντικείμενο.Μεσοποταμία γύρω στο 3500 π.Χ. Τα ελαστικά αυτοκινήτων και οι τροχοί ποδηλάτου είναι τα πιο συνηθισμένα καθημερινά παραδείγματα συνδυασμού τροχού και άξονα.

Κεκλιμένο επίπεδο

Ένα κεκλιμένο επίπεδο είναι μια επίπεδη επιφάνεια που σχηματίζει μια γωνία με μια άλλη επιφάνεια. Για παράδειγμα, αν θέλετε να σηκώσετε ένα αντικείμενο, μπορείτε να το κάνετε να γλιστρήσει σε μια επιφάνεια που σχηματίζει μια συγκεκριμένη γωνία με το οριζόντιο επίπεδο, αντί να το σηκώσετε απευθείας. Με αυτόν τον τρόπο ασκούμε μικρότερη δύναμη σε μεγαλύτερη απόσταση διατηρώντας έτσι το ίδιο έργο σαν να το είχαμε σηκώσει απευθείας. Αυτό είναι βασικά το απλούστερο κεκλιμένο επίπεδο, μια ράμπα. Απαιτείται λιγότερη δύναμη για να ανέβει μια ράμπα σε υψηλότερο υψόμετρο από ό,τι για να ανέβει σε αυτό το ύψος κάθετα, αλλά καλύπτεται μεγαλύτερη απόσταση. Οι ράμπες χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή μεγάλων κτιρίων ( μνημειακής αρχιτεκτονικής ) από το 10.000 έως το 8.500 π.Χ. Στο  On Plane EquilibriumΟ Αρχιμήδης περιγράφει τα κέντρα βάρους διαφόρων γεωμετρικών επίπεδων μορφών.

Κούνια

Η σφήνα θεωρείται συχνά ως ένα διπλό κεκλιμένο επίπεδο (και οι δύο πλευρές της σφήνας είναι κεκλιμένα επίπεδα) που ολισθαίνει για να ασκήσει δύναμη κατά μήκος των πλευρών της. Η δύναμη είναι κάθετη σε κεκλιμένες επιφάνειες, επομένως μπορεί να χωρίσει δύο αντικείμενα ή να χωρίσει ένα μεμονωμένο αντικείμενο σε δύο μέρη. Τα τσεκούρια, τα μαχαίρια και οι σμίλες είναι σφήνες. Η σφήνα της πόρτας χρησιμοποιεί τη δύναμη τριβής της επιφάνειάς της για να εμποδίσει την κίνηση της πόρτας αντί να χωρίσει κάτι σε δύο μέρη, αλλά εξακολουθεί να είναι βασικά μια σφήνα. Η σφήνα είναι η παλαιότερη απλή μηχανή, που χρησιμοποιήθηκε από τους προγόνους μας  Homo erectus  τουλάχιστον πριν από 1,2 εκατομμύρια χρόνια για την κατασκευή πέτρινων εργαλείων.

Βίδα

Μια βίδα είναι ένας άξονας που έχει μια κεκλιμένη αυλάκωση στην επιφάνειά του. Καθώς η βίδα περιστρέφεται όταν ασκούνται δύο δυνάμεις στον άξονά της, η δύναμη μεταδίδεται κάθετα στη σχισμή, μετατρέποντας έτσι μια δύναμη περιστροφής σε γραμμική δύναμη. Χρησιμοποιείται συχνά για την ένωση αντικειμένων, όπως συμβαίνει με την τυπική βίδα και μπουλόνι. Οι Βαβυλώνιοι στη Μεσοποταμία ανέπτυξαν τη βίδα τον 7ο αιώνα π.Χ. για την ανύψωση του νερού ώστε να μπορούν να ποτίζουν έναν κήπο με νερό από ένα ποτάμι. Αυτό το μηχάνημα θα ονομαζόταν αργότερα η βίδα του Αρχιμήδειου.

Τροχαλία

Η τροχαλία είναι ένας τροχός με μια αυλάκωση κατά μήκος της άκρης του όπου μπορεί να συνδεθεί ένα σχοινί ή ένα καλώδιο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει την κατεύθυνση μιας δύναμης ή, όπως ο μοχλός ή ο τροχός, να ασκήσει μικρότερη δύναμη στην προκύπτουσα αλλά για μεγαλύτερη απόσταση, με αποτέλεσμα και οι δύο δυνάμεις να κάνουν το ίδιο έργο. Η ασκούμενη δύναμη είναι αυτή που προκύπτει από το τέντωμα του σχοινιού. Τα σύνθετα συστήματα τροχαλιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μειώσουν σημαντικά τη δύναμη που απαιτείται για την κίνηση ενός αντικειμένου συνδυάζοντας τροχαλίες που αλλάζουν την κατεύθυνση της δύναμης με τροχαλίες που μειώνουν τη δύναμη που πρέπει να ασκηθεί. Οι Βαβυλώνιοι χρησιμοποιούσαν απλές τροχαλίες τον έβδομο αιώνα π.Χ. Το πρώτο σύνθετο σύστημα τροχαλιών, που συνδύαζε πολλές τροχαλίες, εφευρέθηκε από τους Έλληνες γύρω στο 400 π.Χ.

Πηγές

• Bautista Paz, Emilio, et al. Μια σύντομη εικονογραφημένη ιστορία μηχανών και μηχανισμών . Ντόρντρεχτ, Γερμανία: Springer, 2010.
• Ceccarelli, Marco. Συνεισφορές του Αρχιμήδη στη μηχανική και τον σχεδιασμό μηχανισμού s. Μηχανισμός και Θεωρία Μηχανών 72 (2014) 86–93.
• Χόνδρος, Θωμάς Γ. Αρχιμήδης ζωή, έργα και μηχανές. Mechanism and Machine Theory 45 (2010) 1766–75.
• Pisano, Raffaele και Danilo Capecchi. Σχετικά με τις Αρχιμήδειες ρίζες στη μηχανική του Torricelli . Η ιδιοφυΐα του Αρχιμήδη: 23 αιώνες επιρροής στα μαθηματικά, την επιστήμη και τη μηχανική. eds. Παϊπέτης, Stephans A., και Marco Ceccarelli. Διεθνές Συνέδριο, Συρακούσες, Ιταλία, 8-10 Ιουνίου 2010. Ντόρντρεχτ, Γερμανία; Springer, 2010. 17–28.
• Waters, Shaun, και Γιώργος Α. Αγγίδης. Πάνω από 2000 χρόνια σε ανασκόπηση: αναβίωση της βίδας του Αρχιμήδη, αντλία σε στρόβιλο . Ανασκοπήσεις Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Αειφόρου Ενέργειας 51 (2015) 497–505.