Tabla de Contenidos
W fizyce praca jest definiowana jako przyłożenie siły w celu przesunięcia obiektu na określoną odległość ; Zachowanie pracy jest podstawową zasadą prostych maszyn. Proste maszyny generują siłę większą niż ta, którą bezpośrednio stosujemy; związek między tymi dwiema siłami jest mechaniczną przewagą, jaką zapewnia maszyna. Sześć prostych maszyn, które tutaj opisujemy, było używanych od tysięcy lat, a kilka z nich zostało fizycznie opisanych przez greckiego filozofa Archimedesa , który żył między 287 a 212 pne. Kiedy te maszyny są połączone, mogą generować jeszcze większą przewagę mechaniczną, jak w przypadku roweru.
Pierwsza wzmianka o użyciu słowa „maszyna” ( machina ) pochodzi z języka greckiego, a grecki poeta Homer w VIII wieku pne użył go w odniesieniu do manipulacji politycznej. Greckiemu dramaturgowi Ajschylosowi , który żył między 523 a 426 rokiem pne, przypisuje się użycie tego słowa w odniesieniu do maszyn teatralnych jako deus ex machina („bóg maszyny”). Ta maszyna była dźwigiem, który podnosił aktorów grających bogów na scenę.
Przyjrzyjmy się sześciu typom maszyn Archimedesa:
Dźwignia
Dźwignia to prosta maszyna składająca się ze sztywnego przedmiotu, dźwigni (często pręta wykonanego z pewnego rodzaju materiału odpornego na zginanie) oraz punktu podparcia lub punktu obrotu. Przyłożenie siły do jednego końca sztywnego przedmiotu powoduje jego obrót wokół punktu podparcia, powodując przeniesienie siły na drugi koniec sztywnego przedmiotu. Istnieją trzy klasy dźwigni w zależności od tego, gdzie przykładana jest siła, gdzie uzyskuje się przenoszoną siłę oraz położenie punktu podparcia na dźwigni. Pierwsza wzmianka o użyciu dźwigni dotyczyła wagi około 5000 lat pne. Archimedesowi przypisuje się zdanie „ Dajcie mi dźwignię i punkt podparcia, a poruszę Ziemię ”. Znana gra w huśtawkę i taczki to codzienne przykłady dźwigni.
Koło
Koło to okrągły przedmiot, który jest przymocowany w środku do sztywnego pręta, osi. Siła przyłożona do koła powoduje obrót osi, zwiększając siłę przyłożoną do okrągłego obiektu w stosunku do siły działającej na oś. Odległość przebyta przez siłę działającą na okrągły obiekt będzie większa niż odległość przebyta przez siłę przeniesioną na oś, zachowując w ten sposób pracę, jak to zdefiniowaliśmy na początku artykułu. I odwrotnie, siła przyłożona do osi w celu wprawienia jej w ruch obrotowy przekłada się na obrót koła, wzmacniając w tym przypadku ruch, odległość przebytą przez koło. Koło można również interpretować jako rodzaj dźwigni, w której siła jest przykładana do koła i przenoszona do punktu, w którym oś łączy się z okrągłym przedmiotem.Mezopotamia około 3500 pne. Opony samochodowe i koła rowerowe są najczęstszymi codziennymi przykładami kombinacji koła i osi.
Równia pochyła
Nachylona płaszczyzna to płaska powierzchnia, która tworzy kąt z inną powierzchnią. Na przykład, jeśli chcesz podnieść przedmiot, zamiast podnosić go bezpośrednio, możesz sprawić, by przesuwał się po powierzchni, która tworzy określony kąt z płaszczyzną poziomą. W ten sposób przykładamy mniejszą siłę na większą odległość, zachowując w ten sposób taką samą pracę, jak gdybyśmy podnosili ją bezpośrednio. Jest to w zasadzie najprostsza pochyła płaszczyzna, rampa; Wspinanie się po rampie na większą wysokość wymaga mniejszej siły niż wchodzenie na tę wysokość w pionie, ale pokonywana jest większa odległość. Rampy były używane do budowy dużych budynków ( architektura monumentalna ) od 10 000 do 8500 pne. W równowadze na płaszczyźnieArchimedes opisuje środki ciężkości różnych geometrycznych figur płaskich.
Kolebka
Klin jest często uważany za podwójną płaszczyznę nachyloną (obie strony klina są płaszczyznami nachylonymi), która ślizga się, wywierając siłę wzdłuż swoich boków. Siła jest prostopadła do nachylonych powierzchni, więc może rozdzielić dwa obiekty lub podzielić pojedynczy obiekt na dwie części. Siekiery, noże i dłuta to kliny. Klin drzwiowy wykorzystuje siłę tarcia swojej powierzchni, aby utrudnić ruch drzwi, zamiast dzielić coś na dwie części, ale nadal jest zasadniczo klinem. Klin jest najstarszą prostą maszyną, używaną przez naszych przodków Homo erectus co najmniej 1,2 miliona lat temu do wyrobu kamiennych narzędzi.
Śruba
Śruba to wał, który ma pochyły rowek na swojej powierzchni. Gdy śruba obraca się, gdy na jej oś działa kilka sił, siła jest przenoszona prostopadle do rowka, przekształcając w ten sposób siłę obrotową w siłę liniową. Jest często używany do łączenia przedmiotów, jak ma to miejsce w przypadku typowej śruby i śruby. Babilończycy w Mezopotamii opracowali śrubę w VII wieku pne, aby podnosić wodę, aby mogli nawadniać ogród wodą z rzeki. Ta maszyna będzie później znana jako śruba Archimedesa.
Krążek linowy
Koło pasowe to koło z rowkiem wzdłuż krawędzi, do którego można przymocować linę lub linkę. Można go użyć do zmiany kierunku siły lub, podobnie jak dźwigni lub koła, do przyłożenia mniejszej siły do wypadkowej, ale na większą odległość, obie siły wykonują w ten sposób tę samą pracę. Przyłożona siła to taka, która wynika z naprężenia liny. Złożone układy kół pasowych można wykorzystać do znacznego zmniejszenia siły potrzebnej do poruszenia obiektu, łącząc koła pasowe, które zmieniają kierunek siły, z kołami pasowymi, które zmniejszają siłę, która ma zostać przyłożona. Babilończycy używali prostych kół pasowych w VII wieku pne; Pierwszy złożony system bloczków, łączący kilka bloczków, został wynaleziony przez Greków około 400 roku pne.
Źródła
- Bautista Paz, Emilio i in. Krótka ilustrowana historia maszyn i mechanizmów . Dordrecht, Niemcy: Springer, 2010.
- Ceccarelli, Marco. Wkład Archimedesa w mechanikę i konstrukcję mechanizmu s. Teoria mechanizmów i maszyn 72 (2014) 86–93.
- Chondros, Thomas G. Archimedes życie, prace i maszyny. Teoria mechanizmów i maszyn 45 (2010) 1766–75.
- Pisano, Raffaele i Danilo Capecchi. O korzeniach Archimedesa w mechanice Torricellego . Geniusz Archimedesa: 23 wieki wpływu na matematykę, naukę i inżynierię . wyd. Paipetis, Stephans A. i Marco Ceccarelli. Międzynarodowa Konferencja, Syrakuzy, Włochy, 8-10 czerwca 2010. Dordrecht, Niemcy; Springer, 2010. 17–28.
- Waters, Shaun i George A. Aggidis. Przegląd ponad 2000 lat: odrodzenie śruby Archimedesa, pompa do turbiny . Przeglądy energii odnawialnej i zrównoważonej 51 (2015) 497–505.