Gyles Lewis
0 
3843
161
Door de geschiedenis heen hebben mensen verschillende apparaten ontwikkeld om het werk gemakkelijker te maken. De meest opvallende hiervan staan bekend als de 'zes eenvoudige machines': het wiel en de as, de hendel, het hellende vlak, de katrol, de schroef en de wig, hoewel de laatste drie eigenlijk slechts verlengstukken of combinaties zijn van de eerste drie.
Omdat werk wordt gedefinieerd als kracht die op een object in de bewegingsrichting inwerkt, maakt een machine het werk gemakkelijker uit te voeren door een of meer van de volgende functies uit te voeren, aldus Jefferson Lab:
- het overbrengen van een kracht van de ene plaats naar de andere,
- het veranderen van de richting van een kracht,
- het vergroten van de grootte van een kracht, of
- het vergroten van de afstand of snelheid van een kracht.
Eenvoudige machines zijn apparaten zonder of met heel weinig bewegende delen die het werk vergemakkelijken. Volgens de University of Colorado in Boulder zijn veel van de huidige complexe gereedschappen slechts combinaties of meer gecompliceerde vormen van de zes eenvoudige machines. We kunnen bijvoorbeeld een lange steel aan een as bevestigen om een ankerlier te maken, of een blok en takel gebruiken om een lading een helling op te trekken. Hoewel deze machines eenvoudig lijken, blijven ze ons de middelen bieden om veel dingen te doen die we nooit zonder hen zouden kunnen doen.
Wiel en as
Het wiel wordt beschouwd als een van de belangrijkste uitvindingen in de geschiedenis van de wereld. "Vóór de uitvinding van het wiel in 3500 v.Chr. Waren de mensen ernstig beperkt in hoeveel spullen we over land konden vervoeren en tot hoever", schreef Natalie Wolchover in het artikel "Top 10 uitvindingen die de wereld veranderden". "Karren op wielen vergemakkelijkten de landbouw en de handel door het vervoer van goederen van en naar markten mogelijk te maken, en door de lasten te verlichten van mensen die grote afstanden afleggen."
Het wiel vermindert aanzienlijk de wrijving die optreedt wanneer een object over een oppervlak wordt verplaatst. "Als je je archiefkast op een kleine kar met wieltjes zet, kun je de kracht die je nodig hebt om de kast met constante snelheid te verplaatsen aanzienlijk verminderen", aldus de University of Tennessee..
In zijn boek "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), schrijft Charlie Samuels: "In delen van de wereld werden zware voorwerpen zoals rotsen en boten verplaatst met behulp van houtblokken. Terwijl het object naar voren bewoog, werden rollen werden van achteren gehaald en vooraan teruggeplaatst. " Dit was de eerste stap in de ontwikkeling van het wiel.
De grote innovatie was echter het monteren van een wiel op een as. Het wiel kan worden bevestigd aan een as die wordt ondersteund door een lager, of het kan worden gemaakt om vrij rond de as te draaien. Dit leidde tot de ontwikkeling van karren, wagens en strijdwagens. Volgens Samuels gebruiken archeologen de ontwikkeling van een wiel dat op een as draait als een indicator van een relatief geavanceerde beschaving. Het vroegste bewijs van wielen op assen dateert van ongeveer 3200 voor Christus. door de Sumeriërs. De Chinezen vonden onafhankelijk het wiel uit in 2800 voor Christus. [Gerelateerd: waarom het zo lang duurde om het wiel uit te vinden]
Forceer vermenigvuldigers
Naast het verminderen van wrijving kunnen een wiel en as ook dienen als krachtvermenigvuldiger, aldus Science Quest van Wiley. Als een wiel aan een as is bevestigd en er wordt een kracht gebruikt om het wiel te laten draaien, is de rotatiekracht of het koppel op de as veel groter dan de kracht die op de velg van het wiel wordt uitgeoefend. Als alternatief kan een lange handgreep aan de as worden bevestigd om een vergelijkbaar effect te bereiken.
De andere vijf machines helpen allemaal mensen de kracht die op een object wordt uitgeoefend, te vergroten en / of om te leiden. In hun boek "Moving Big Things" (It's about time, 2009) schrijven Janet L. Kolodner en haar co-auteurs: "Machines bieden mechanisch voordeel om te helpen bij het verplaatsen van objecten. Mechanisch voordeel is de wisselwerking tussen kracht en afstand. " In de volgende bespreking van de eenvoudige machines die de kracht vergroten die op hun invoer wordt uitgeoefend, zullen we de wrijvingskracht verwaarlozen, omdat in de meeste van deze gevallen de wrijvingskracht erg klein is in vergelijking met de betrokken invoer- en uitvoerkrachten..
Als er over een afstand een kracht wordt uitgeoefend, levert dat werk op. Wiskundig wordt dit uitgedrukt als W = F × D. Om bijvoorbeeld een object op te tillen, moeten we de zwaartekracht overwinnen en het object naar boven verplaatsen. Om een object te tillen dat twee keer zo zwaar is, kost het twee keer zoveel werk om het dezelfde afstand op te tillen. Het kost ook twee keer zoveel werk om hetzelfde object twee keer zo ver op te tillen. Zoals de wiskunde aangeeft, is het belangrijkste voordeel van machines dat ze ons in staat stellen dezelfde hoeveelheid werk te doen door een kleinere hoeveelheid kracht uit te oefenen over een grotere afstand.
Hendel
'Geef me een hefboom en een plek om te staan, en ik zal de wereld in beweging brengen.' Deze opschepperige bewering wordt toegeschreven aan de derde-eeuwse Griekse filosoof, wiskundige en uitvinder Archimedes. Hoewel het misschien een beetje overdreven is, drukt het de kracht van hefboomwerking uit, die, althans figuurlijk, de wereld beweegt.
Het genie van Archimedes was om te beseffen dat om dezelfde hoeveelheid of hetzelfde werk te bereiken, men een afweging kon maken tussen kracht en afstand met behulp van een hefboom. Zijn Law of the Lever stelt: "Magnitudes zijn in evenwicht op afstanden die wederzijds evenredig zijn met hun gewicht", aldus "Archimedes in the 21st Century", een virtueel boek van Chris Rorres aan de New York University.
De hendel bestaat uit een lange balk en een draaipunt of draaipunt. Het mechanische voordeel van de hefboom hangt af van de verhouding van de lengtes van de balk aan weerszijden van het draaipunt.
Stel dat we bijvoorbeeld een 100-pond willen tillen. (45 kilogram) gewicht 2 voet (61 centimeter) boven de grond. We kunnen 100 pond uitoefenen. kracht op het gewicht in de opwaartse richting over een afstand van 2 voet, en we hebben 200 pond-voet (271 Newtonmeter) werk verzet. Als we echter een hefboom van 9 m (30 voet) zouden gebruiken met één uiteinde onder het gewicht en een draaipunt van 30 voet (30,5 cm) onder de balk op 3 m van het gewicht, zouden we om het andere uiteinde met 50 lbs naar beneden te duwen. (23 kg) kracht om het gewicht op te tillen. We zouden echter het uiteinde van de hendel 1,2 m omlaag moeten duwen om het gewicht 2 voet op te tillen. We hebben een afweging gemaakt waarbij we de afstand die we nodig hadden om de hendel te verplaatsen, hebben verdubbeld, maar we hebben de benodigde kracht gehalveerd om dezelfde hoeveelheid werk te kunnen doen.
Hellend vlak
Het hellende vlak is gewoon een plat oppervlak dat schuin omhoog staat, zoals een helling. Volgens Bob Williams, een professor in de afdeling werktuigbouwkunde aan het Russ College of Engineering and Technology aan de Ohio University, is een hellend vlak een manier om een last op te tillen die te zwaar zou zijn om recht omhoog te tillen. De hoek (de steilheid van het hellende vlak) bepaalt hoeveel inspanning er nodig is om het gewicht te verhogen. Hoe steiler de helling, hoe meer inspanning er nodig is. Dat betekent dat als we onze 100-pond optillen. gewicht 2 voet door het op een helling van 4 voet op te rollen, verminderen we de benodigde kracht met de helft terwijl we de afstand verdubbelen die het moet worden verplaatst. Als we een helling van 2,4 m zouden gebruiken, zouden we de benodigde kracht kunnen terugbrengen tot slechts 25 lbs. (11,3 kg).
Katrol
Als we diezelfde 100 pond willen optillen. gewicht met een touw, we zouden een katrol kunnen bevestigen aan een balk boven het gewicht. Hierdoor kunnen we het touw naar beneden trekken in plaats van omhoog, maar het vereist nog steeds 100 lbs. van kracht. Als we echter twee katrollen zouden gebruiken - de ene bevestigd aan de bovenbalk en de andere aan het gewicht - en we zouden het ene uiteinde van het touw aan de balk bevestigen, voer het dan door de katrol op het gewicht en dan door de katrol op de balk, we zouden alleen maar met 50 lbs aan het touw hoeven te trekken. van kracht om het gewicht op te tillen, hoewel we het touw 4 voet zouden moeten trekken om het gewicht 2 voet op te tillen. Nogmaals, we hebben grotere afstand ingeruild voor verminderde kracht.
Als we over een nog grotere afstand nog minder kracht willen gebruiken, kunnen we een blok en tackle gebruiken. Volgens cursusmateriaal van de University of South Carolina: "Een blok en takel is een combinatie van katrollen die de hoeveelheid kracht vermindert die nodig is om iets op te tillen. De wisselwerking is dat er een langere lengte touw nodig is voor een blok en takel. iets over dezelfde afstand te verplaatsen. "
Hoe eenvoudig katrollen ook zijn, ze worden nog steeds gebruikt in de meest geavanceerde nieuwe machines. De Hangprinter, een 3D-printer die objecten ter grootte van een meubel kan bouwen, maakt bijvoorbeeld gebruik van een systeem van draden en computergestuurde katrollen die aan de muren, de vloer en het plafond zijn verankerd..
Schroef
"Een schroef is in wezen een lang hellend vlak dat rond een as is gewikkeld, dus het mechanische voordeel ervan kan op dezelfde manier worden benaderd als de helling", aldus HyperPhysics, een website van Georgia State University. Veel apparaten gebruiken schroeven om een kracht uit te oefenen die veel groter is dan de kracht die wordt gebruikt om de schroef te draaien. Deze apparaten omvatten bankschroeven en wielmoeren op autowielen. Ze halen een mechanisch voordeel niet alleen uit de schroef zelf, maar in veel gevallen ook uit de hefboomwerking van een lange handgreep die wordt gebruikt om de schroef te draaien.
Wig
Volgens het New Mexico Institute of Mining and Technology, "verplaatsen wiggen hellende vlakken die onder lasten worden aangedreven om op te tillen, of in een last om te splitsen of te scheiden." Een langere, dunnere wig geeft meer mechanisch voordeel dan een kortere, bredere wig, maar een wig doet iets anders: de belangrijkste functie van een wig is het veranderen van de richting van de invoerkracht. Als we bijvoorbeeld een blok hout willen kloven, kunnen we met een voorhamer een wig met grote kracht naar beneden in het uiteinde van het blok slaan, en de wig zal deze kracht naar buiten richten, waardoor het hout gaat splijten. Een ander voorbeeld is een deurstopper, waarbij de kracht die wordt gebruikt om hem onder de rand van de deur te duwen naar beneden wordt overgebracht, wat resulteert in wrijvingskracht die niet over de vloer glijdt.
Aanvullende rapportage door Charles Q. Choi, medewerker
Aanvullende bronnen
- John H. Lienhard, emeritus hoogleraar werktuigbouwkunde en geschiedenis aan de Universiteit van Houston, werpt nog een blik op de uitvinding van het wiel.
- Het Center of Science and Industry in Columbus, Ohio, heeft een interactieve uitleg van eenvoudige machines.
- HyperPhysics, een website geproduceerd door Georgia State University, heeft uitleg gegeven over de zes eenvoudige machines.
Vind leuke activiteiten met eenvoudige machines in het Museum of Science and Industry in Chicago.