MAȘINI SIMPLE: ISTORIC, CARACTERISTICI, TIPURI, EXEMPLE - TEHNOLOGIE - 2025

De mașini simple , sunt dispozitive mecanice care schimbă mărimea sau direcția unei forțe. În general, ele pot fi definite ca fiind cele mai goale aparate care utilizează un avantaj mecanic, numit și pârghie, pentru a crește o forță.

De-a lungul istoriei, oamenii au dezvoltat diverse dispozitive pentru a facilita munca. Cele mai importante sunt cunoscute sub numele de șase tipuri de mașini simple: maneta, roata și axul, scripetele, planul înclinat, panza și șurubul.

Sursa: John Mills

Când auziți cuvântul mașină, vă gândiți la ceva precum un excavator sau o mașină cu aburi. Cu toate acestea, în știință, o mașină este orice face o forță mai mare.

O mașină poate crește cantitatea de forță produsă, cu costul unei reduceri proporționale a distanței pe care o parcurge sarcina. Avantajul mecanic se numește relația dintre forța produsă și forța aplicată.

O mașină simplă folosește o singură forță aplicată care funcționează împotriva unei singure forțe de încărcare. Ignorând pierderile prin frecare, munca depusă pe sarcină este egală cu munca depusă de forța aplicată.

Blocuri elementare

Mașini simple sunt peste tot, fiind folosite în fiecare zi pentru a efectua sarcini simple. De asemenea, au fost folosite încă din primele zile ale existenței umane.

Mașinile simple pot fi considerate blocurile elementare din care sunt compuse toate mașinile mai complexe, numite mașini compuse.

În mecanismul unei biciclete, de exemplu, se folosesc scripete, pârghii și roți. Avantajul mecanic al unei mașini compuse nu este altceva decât rezultatul avantajelor mecanice ale mașinilor simple care o compun.

Cu toate acestea, deși continuă să fie considerate foarte importante în mecanică și știința aplicată, mecanica modernă a transcendut acea viziune a mașinilor simple ca blocuri elementare din care sunt compuse toate mașinile.

Istorie

Idei inițiale

În jurul secolului al III-lea î.Hr. C. a luat naștere ideea unei mașini simple, cu filosoful grec Arhimede, care a studiat următoarele mașini simple: pârghia, scripetă și șurub.

El a descoperit în pârghie principiul avantajului mecanic. Celebrul său comentariu referitor la pârghie: „Dă-mi un loc în care să mă aplec și voi muta Pământul” exprimă înțelegerea lui că nu există nicio limită la creșterea forței care ar putea fi obținută folosind avantajul mecanic.

Ulterior, filozofii greci au definit cinci mașini simple clasice și au fost capabili să calculeze avantajul mecanic pe care îl aveau.

De exemplu, în lucrarea sa Mecanica, Heron of Alexandria (10-75 d.H.) enumeră cinci dispozitive care pot pune sarcina în mișcare: scripetă, roată și osie, manetă, șurub și pană, în detaliu fabricarea și utilizarea lor.

Cu toate acestea, cunoașterea grecilor era limitată la statica mașinilor simple (echilibrul de forțe), neincluzând dinamica, conceptul de lucru sau compromisul dintre forță și distanță.

Perioada renascentista

Dinamica forțelor mecanice, așa cum au fost numite mașini simple, a început să fie studiată în timpul Renașterii, din perspectiva cât de departe putea fi ridicată o sarcină, pe lângă forța care putea fi aplicată, ceea ce a dus până la urmă la noul concept. munca mecanica.

Avantajul mecanic al planului înclinat a fost dedus de către inginerul flamand Simon Stevin în 1586. Acesta a fost inclus alături de celelalte mașini simple.

Omul de știință italian Galileo Galilei a elaborat în 1600 teoria dinamică completă a mașinilor simple, în lucrarea sa Le Meccaniche, unde a dezvăluit similitudinea matematică de bază ca amplificatoare de forță ale acestor mașini. El a fost primul care a explicat că mașinile simple nu creează energie, ci doar au transformat-o.

Leonardo da Vinci a descoperit regulile clasice ale fricțiunii de alunecare în mașini, dar acestea nu au fost publicate sau documentate în primerul său. În 1699 Guillaume Amontons a redescoperit aceste reguli, iar în 1785 au fost dezvoltate de Charles-Augustin de Coulomb.

caracteristici

Mașinile simple sunt dispozitive cu fără sau foarte puține piese mobile, care facilitează munca. Funcția principală a unei mașini simple este amplificarea forței sau modificarea mișcării.

Mișcare și forță

Mișcarea și forța într-o mașină simplă sunt inseparabile. Ei sunt întotdeauna în relație inversă.

Forța produsă de o pârghie este mai mare decât forța aplicată acesteia, dar mișcarea produsă este mai mică decât mișcarea aplicată. Adică, un câștig de forță este însoțit de o pierdere în mișcare.

Loc de munca

În mecanică, munca este ceva ce forțele fac atunci când se mișcă în direcția în care acționează. Adică atunci când se aplică o forță pentru a parcurge distanța, se produce muncă. Aceasta este exprimată matematic ca: Muncă = Forță × Distanță.

De exemplu, pentru a ridica un obiect, trebuie lucrat care să depășească forța gravitației și, astfel, să poată muta obiectul în sus.

Pentru a ridica un obiect de două ori mai greu, este nevoie de două ori mai multă muncă pentru a-l ridica la aceeași distanță. De asemenea, ar fi nevoie de două ori mai multă muncă pentru a ridica același obiect de două ori mai departe.

Acest concept de lucru este fundamental pentru a defini funcția mecanică în mașini simple din punct de vedere al forței și mișcării, subliniind inseparabilitatea forței și mișcării.

Avantaj mecanic

Este relația dintre forța care execută munca în raport cu forța aplicată. Prin urmare, este eficiența amplificării forței unei mașini simple.

Avantajul mecanic al mașinilor simple înseamnă că se poate utiliza o forță mai mică pentru a deplasa un obiect, dar trebuie mutat pe o distanță mai mare.

De multe ori, o sarcină este considerată dificilă, deoarece necesită multă forță. Utilizarea compensării între distanță și forță poate face sarcina mult mai ușor de finalizat.

Un exemplu este împingerea unui obiect greu pe o ramă. Este mai ușor să împingeți obiectul în jos decât rampa decât să îl ridicați la înălțimea corectă, dar trebuie transportat la o distanță mai mare.

Pentru ce sunt mașini simple?

Mașinile simple simplifică funcționarea efectuând una sau mai multe dintre următoarele funcții:

- Transferați o forță dintr-un loc în altul.

- Schimbați direcția unei forțe.

- Creșteți mărimea unei forțe.

- Măriți distanța unei forțe.

Deși mașinile simple au multe forme diferite, ele vin în șase tipuri de bază:

- Wedge: dispozitiv pentru a separa lucrurile.

- Roată și osie: utilizat pentru a reduce frecarea și ca multiplicator de forță.

- Manetă: se mișcă în jurul unui fulcru pentru a crește sau a reduce avantajul mecanic.

- Plan inclinat: ridicați obiectele când urcați o pantă.

- Șurub: dispozitiv care poate ridica sau ține obiectele împreună.

- Ruliță: schimbă direcția unei forțe.

Măriți forța aplicată

Mașinile simple ajută oamenii să crească forța aplicată unui obiect. Acestea oferă un avantaj mecanic care ajută la mișcarea obiectelor.

Așa cum indică formula de lucru, principalul beneficiu al mașinilor simple este acela de a permite aceeași cantitate de muncă prin aplicarea unei cantități mai mici de forță pe o distanță mai mare.

De exemplu, doriți să ridicați un obiect care cântărește 10 kilograme la 2 metri de pământ. 10 kg de forță pot fi exercitate asupra obiectului într-o direcție în sus, pe o distanță de 2 metri, făcând astfel 20 de lucrări Newton.

Dacă s-a utilizat o pârghie de 3 metri, așezarea obiectului la un capăt și plasarea unui fulcru de 10 cm sub bara la 1 metru distanță de obiect, atunci pentru a ridica obiectul, ar trebui să apăsați în jos pe celălalt capăt cu o forță de doar 5 kilograme.

Cu toate acestea, capătul pârghiei ar trebui să fie împins în jos cu 4 metri pentru a ridica obiectul la doar 2 metri.

Există un compromis. Coborârea manetei dublează distanța anterioară, dar reduce forța necesară la jumătate, făcând aceeași cantitate de muncă.

Tipuri

Pârghie

Este un fel de bară rigidă care are un punct de sprijin fix ca punct de sprijin. Este format dintr-o sarcină, care este obiectul care trebuie mișcat sau ridicat, un fulcrum, care este pivotul și un efort, care este forța necesară pentru a muta sau ridica sarcina.

Aplicarea unei forțe la un capăt al pârghiei creează o forță mai mare la celălalt capăt. Forța aplicată va crește sau va scădea în funcție de distanța de la fulcrum la sarcină și stres.

Roata si ax

Este format dintr-o roată fixată pe un os mai mic, astfel încât aceste două părți să se rotească împreună, unde o forță este transferată de la una la alta. O balamală sprijină arborele, permițând rotirea.

Ea facilitează munca de mișcare a obiectelor pe distanțe. Roata, care este capătul rotund, se rotește cu axa cilindrică, provocând mișcarea.

De asemenea, poate amplifica forța. O forță mică aplicată pe circumferința unei roți mari poate muta o sarcină mai mare atașată la un ax.

Scripete

Este conceput pentru a sprijini mișcarea și schimbarea direcției unei frânghii întinse. Frânghia se înfășoară în jurul unei roți. Pe măsură ce roata se învârte, frânghia se mișcă în orice direcție.

Dacă un cârlig este conectat la funie, rotația roții poate fi folosită pentru ridicarea și coborârea obiectelor, facilitând lucrările.

Plan înclinat

Este o suprafață plană, cu un capăt mai mare decât celălalt, folosită ca suport pentru ridicarea sau coborârea unei sarcini. Sunt utilizate pe scară largă pentru a muta sarcini grele peste obstacole verticale.

Deplasarea unui obiect pe un plan înclinat necesită mai puțină forță decât ridicarea acestuia direct, cu prețul creșterii distanței parcurse.

Avantajul mecanic al unui plan înclinat este egal cu raportul dintre lungimea suprafeței înclinate și înălțimea pe care o acoperă.

Leagăn

Este un instrument în formă de triunghi. Poate fi folosit pentru a separa două obiecte, a elimina bucăți dintr-un obiect, a-l ridica sau a ține un obiect în loc.

Acționează transformând o forță aplicată la capătul său contondent în forțe perpendiculare pe suprafața sa înclinată.

Avantajul mecanic este dat de relația dintre lungimea pantei și lățimea.

Şurub

Este un mecanism care transformă mișcarea de rotație în mișcare liniară și forța de rotație (cuplu) într-o forță liniară. Un șurub este cu adevărat un alt tip de plan înclinat.

Forma sa cea mai comună constă dintr-un arbore cilindric cu caneluri elicoidale numite fire de-a lungul exteriorului.

Șurubul trece printr-o gaură în alt obiect sau mediu cu fire interne care se plasează cu firele de șurub.

Exemple

Pârghiile

Câteva exemple de pârghii sunt mânerele ușilor, ghearele de pe un ciocan de îndepărtare a unghiilor, pârghiile de fier, întrerupătoarele de lumină, deschizătorii de sticle și balamalele.

Sursa: pixabay.com

Roți și osii

Se găsesc unde lucrurile se derulează în cerc, precum un ventilator electric, un motor, o ușă rotativă, un carusel și orice roată, indiferent dacă este în mașină, pe un skateboard sau pe o bicicletă.

Sursa: pixabay.com

scripeți

Sunt utilizate în perdele și jaluzele pentru a le muta în sus și în jos sau înapoi și înapoi.

Ele pot aduce ceva din pământ, ca un steag pe un stâlp. Frânghia este trasă în jos, dar steagul urcă.

De asemenea, sunt utilizate în industrie pentru ridicarea și scăderea încărcăturilor grele, pe nave pentru ridicarea și coborârea velei, sau în macarale pentru a fi utilizate la echipamentele de construcție în mișcare.

Ascensoarele folosesc, de asemenea, scripete pentru a muta mașina în jos și în sus, de la podea la podea.

Sursa: pixabay.com

Avioane inclinate

Acestea sunt utilizate în parcurile de scutere, rampele scaunelor cu rotile și pentru deplasarea echipamentelor grele în și în spatele camioanelor.

Versiunile modificate ale unei rampe se găsesc pe scări, scări rulante, căi de mers și chiar pe diapozitive folosite pentru a arunca poștă în căsuța poștală, chiar până la un tren care urcă pe o pantă.

Sursa: pexels.com

Leagăn

Câteva exemple de pană folosite pentru a se separa pot fi o lopată, un cuțit, un topor, o pică, un ferăstrău, o pereche de foarfece sau un gheț.

Panourile pot, de asemenea, să țină lucrurile împreună, cum ar fi în cazul unei capse, știfturi, zăvoare, cuie sau cu uși.

Sursa: pixabay.com

Şurub

Câteva exemple sunt pe un burghiu, un capac de borcan, un bec, un șurub, capace de sticlă, robinete și stilouri.

O altă utilizare a șurubului este într-un dispozitiv numit pompă cu șurub. Este o mașină hidraulică uriașă în formă de șurub, care intră în apă. Când se rotește, datorită formei sale de șurub, apa urcă pe arborele răsucit, ridicându-se acolo unde este nevoie. Pompele cu șurub sunt adesea utilizate pentru irigare și în medii agricole, cum ar fi ferme.

Sursa: pixabay.com

Referințe

1. Wikipedia, enciclopedia gratuită (2019). Mașină simplă Preluat de la: en.wikipedia.org.
2. Televiziunea publică Idaho (2019). Mașini simple: fapte. Luat de la: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 mașini simple: simplificarea muncii. Știința în direct. Luat de la: livescience.com.
4. Învățământ Inginerie (2019). Inginerie: mașini simple. Luat de la: Teachhengineering.org.
5. Pentru profesori pentru studenți (2019). Ce sunt mașinile simple? Luat de la: forteachersforstudents.com.au.
6. Guvernul de stat din Victoria (2019). Mașini simple. Luat de la: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Cele șase tipuri de mașini simple. Preluat de la: vexrobotics.com.