6種類の簡易マシンの仕組み

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仕事は、物理学では、物体を特定の距離だけ動かすための力の適用として定義されます。仕事の保存は、単純な機械の基本原理です。単純な機械は、私たちが直接加える力よりも大きな力を生み出します。これら 2 つの力の関係は、マシンが提供する機械的な利点です。ここで説明する 6 つの単純な機械は、何千年もの間使用されてきました。そのうちのいくつかは、紀元前 287 年から 212 年の間に生きたギリシャの哲学者アルキメデスによって物理的に説明されました。これらの機械を組み合わせると、自転車の場合のように、さらに大きな機械的利点を生み出すことができます。

「機械」( machina )という言葉の使用に関する最初の記録はギリシャ語であり、紀元前 8 世紀のギリシャの詩人ホメロスがこの言葉を政治的操作に言及するために使用した. 紀元前 523 年から 426 年の間に生きたギリシアの劇作家アイスキュロスは、演劇の機械に関連してこの言葉を deus ex machina (「機械の神」) として使用したとされています。この機械は、神を演じる役者を舞台に持ち上げるためのクレーンでした。

6 種類のアルキメデス マシンを見てみましょう。

レバー

レバーは、剛性のある物体、レバー (多くの場合、曲げに強いある種の材料で作られた棒)、および支点またはピボット ポイントで構成される単純な機械です。剛体の一方の端に力を加えると、剛体は支持点を中心に回転し、剛体のもう一方の端に力が伝達されます。力が加えられる場所、伝達される力が得られる場所、およびレバーの支点の位置に応じて、レバーには 3 つのクラスがあります。テコの使用に関する最初の記録は、紀元前 5000 年頃の天秤でした。アルキメデスは、「テコと支点があれば地球を動かす」という言葉を残しています。よく知られているシーソーと手押し車のゲームは、テコの日常的な例です。

テコと足場を与えてくれれば、地球を動かします。
テコと足場を与えてくれれば、地球を動かします。

車輪

車輪は、その中心が剛性の棒である車軸に取り付けられた円形の物体です。車輪に力が加わると車軸が回転し、円形の物体にかかる力が車軸にかかる力よりも大きくなります。円形のオブジェクトにかかる力が移動する距離は、軸に伝達される力が移動する距離よりも長くなるため、記事の冒頭で定義したように仕事が節約されます。逆に、車軸を回転させるために車軸に加えられる力は、車輪の回転に変換され、この場合、動き、つまり車輪が移動する距離が増幅されます。ホイールは、力がホイールに適用され、軸が円形のオブジェクトを結合するポイントに伝達される一種のテコとして解釈することもできます。紀元前3500年頃のメソポタミア。車のタイヤと自転車の車輪は、車輪と車軸の組み合わせの最も一般的な例です。

ウルの戦いの旗;  紀元前2500年頃のシュメール人の車輪の記録。
ウルの戦いの旗; 紀元前2500年頃のシュメール人の車輪の記録。

傾斜面

傾斜面は、別の面と角度をなす平らな面です。たとえば、物体を持ち上げる場合、直接持ち上げるのではなく、水平面に対して特定の角度を成す面を滑らせることができます。このようにして、小さな力を大きな距離に適用することで、直接持ち上げた場合と同じ仕事を維持します。これは基本的に最も単純な傾斜面であるランプです。垂直に登るよりも高い標高までランプを登るのに必要な力は少なくて済みますが、より長い距離をカバーできます。傾斜路は、紀元前 10,000 年から 8,500 年にかけて大きな建物 (記念碑的な建築物) を建設するために使用されました。面 内平衡アルキメデスは、さまざまな幾何学的平面図形の重心を説明しています。

傾斜面上の力の合成。
傾斜面上の力の合成。

クレードル

くさびは、その側面に沿って力を加えるためにスライドする二重傾斜面 (くさびの両側が傾斜面) と見なされることがよくあります。力は傾斜面に対して垂直であるため、2 つのオブジェクトを分離したり、1 つのオブジェクトを 2 つの部分に分割したりできます。斧、ナイフ、ノミはくさびです。ドアのくさびは、何かを 2 つの部分に分割するのではなく、表面の摩擦力を使用してドアの動きを妨げますが、それでも基本的にはくさびです。くさびは、  少なくとも 120 万年前に人類の祖先であるホモ・エレクトスが石器を作るために使用した最も古い単純な機械です。

斧

スクリュー

ねじは、表面全体に傾斜した溝があるシャフトです。軸にいくつかの力が加えられたときにねじが回転すると、その力はスロットに対して垂直に伝達され、回転力が直線力に変換されます。一般的なねじやボルトのように、物体を接合するためによく使用されます。メソポタミアのバビロニア人は、紀元前 7 世紀に水を汲み上げるためにスクリューを開発し、川からの水で庭を灌漑できるようにしました。この機械は、後にアルキメデスのねじとして知られるようになります。

コークスクリュー
コークスクリュー

プーリー

滑車は、ロープやケーブルを取り付けることができる縁に沿って溝がある車輪です。力の方向を変えたり、レバーやホイールのように、より小さな力を合力に適用するために使用できますが、より長い距離では、両方の力が同じ働きをします. 適用される力は、ロープを張ることによって生じる力です。複雑な滑車システムを使用すると、力の方向を変える滑車と加えられる力を減らす滑車を組み合わせることで、物体を動かすのに必要な力を大幅に減らすことができます。バビロニア人は紀元前 7 世紀に単純な滑車を使用しました。いくつかの滑車を組み合わせた最初の複雑な滑車システムは、紀元前 400 年頃にギリシャ人によって発明されました。

プーリーシステム。
プーリーシステム。

ソース

  • バウティスタ・パス、エミリオ 他 機械と機構の簡単な図解歴史。ドルドレヒト、ドイツ: スプリンガー、2010 年。
  • セッカレッリ、マルコ。力学とメカニズムの設計に関するアルキメデスの貢献。メカニズムと機械理論 72 (2014) 86–93.
  • コンドロス、トーマス・G・アルキメデスの人生、作品、機械。メカニズムと機械理論 45 (2010) 1766–75.
  • ピサーノ、ラファエレ、ダニーロ・カペッキ。トリチェリの力学におけるアルキメデスのルーツについて。アルキメデスの天才: 23 世紀にわたる数学、科学、工学への影響。編。Paipetis、Stephans A.、および Marco Ceccarelli。国際会議、シラキュース、イタリア、2010 年 6 月 8 ~ 10 日。ドイツ、ドルドレヒト。スプリンガー、2010年。17–28。
  • ウォーターズ、ショーン、ジョージ・A・アギディス。2000 年以上の歴史を振り返る: アルキメデス スクリュー、ポンプからタービンへの復活。Renewable and Sustainable Energy Reviews 51 (2015) 497–505.
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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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