Im Laufe der Geschichte haben Menschen verschiedene Geräte entwickelt, um die Arbeit zu erleichtern. Die bemerkenswertesten davon sind als die "sechs einfachen Maschinen" bekannt: das Rad und die Achse, der Hebel, die schiefe Ebene, die Riemenscheibe, die Schraube und der Keil, obwohl die letzten drei eigentlich nur Erweiterungen oder Kombinationen der ersten sind drei.
Da Arbeit als Kraft definiert ist, die in Bewegungsrichtung auf ein Objekt wirkt, erleichtert eine Maschine die Ausführung der Arbeit, indem sie laut Jefferson Lab eine oder mehrere der folgenden Funktionen ausführt:
- Übertragung einer Kraft von einem Ort zum anderen,
- die Richtung einer Kraft ändern,
- Erhöhen der Größe einer Kraft oder
- Erhöhen der Entfernung oder Geschwindigkeit einer Kraft.
Einfache Maschinen sind Geräte ohne oder mit sehr wenigen beweglichen Teilen, die die Arbeit erleichtern. Laut der University of Colorado in Boulder sind viele der heutigen komplexen Werkzeuge nur Kombinationen oder kompliziertere Formen der sechs einfachen Maschinen. Zum Beispiel könnten wir einen langen Griff an einem Schaft befestigen, um eine Ankerwinde herzustellen, oder einen Block und ein Gerät verwenden, um eine Last eine Rampe hochzuziehen. Obwohl diese Maschinen einfach erscheinen mögen, bieten sie uns weiterhin die Möglichkeit, viele Dinge zu tun, die wir ohne sie niemals tun könnten.
Rad und Achse
Das Rad gilt als eine der bedeutendsten Erfindungen in der Geschichte der Welt. "Vor der Erfindung des Rades im Jahr 3500 v. Chr. Waren die Menschen stark eingeschränkt, wie viel Material wir über Land transportieren konnten und wie weit", schrieb Natalie Wolchover im Live Science-Artikel "Top 10 Erfindungen, die die Welt veränderten". "Radkarren erleichterten die Landwirtschaft und den Handel, indem sie den Transport von Waren zu und von Märkten ermöglichten und die Belastung von Menschen, die große Entfernungen zurücklegten, verringerten."
Das Rad reduziert die Reibung, die auftritt, wenn ein Objekt über eine Oberfläche bewegt wird, erheblich. "Wenn Sie Ihren Aktenschrank auf einen kleinen Wagen mit Rädern stellen, können Sie die Kraft, die Sie benötigen, um den Schrank mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, erheblich reduzieren", so die Universität von Tennessee.
In seinem Buch "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010) schreibt Charlie Samuels: "In Teilen der Welt wurden schwere Objekte wie Steine und Boote mit Holzrollen bewegt. Während sich das Objekt vorwärts bewegte, rollten sie wurden von hinten genommen und vorne ersetzt. " Dies war der erste Schritt in der Entwicklung des Rades.
Die große Neuerung bestand jedoch darin, ein Rad an einer Achse zu montieren. Das Rad könnte an einer Achse befestigt sein, die von einem Lager getragen wird, oder es könnte frei um die Achse gedreht werden. Dies führte zur Entwicklung von Karren, Wagen und Streitwagen. Laut Samuels verwenden Archäologen die Entwicklung eines Rades, das sich um eine Achse dreht, als Indikator für eine relativ fortgeschrittene Zivilisation. Der früheste Hinweis auf Räder an Achsen stammt aus der Zeit um 3200 v. von den Sumerern. Die Chinesen erfanden das Rad 2800 v. Chr. Unabhängig.
Multiplikatoren erzwingen
Laut Science Quest von Wiley können Rad und Achse nicht nur die Reibung verringern, sondern auch als Kraftmultiplikator dienen. Wenn ein Rad an einer Achse befestigt ist und eine Kraft zum Drehen des Rades verwendet wird, ist die Drehkraft oder das Drehmoment auf die Achse viel größer als die auf die Felge des Rads ausgeübte Kraft. Alternativ kann ein langer Griff an der Achse angebracht werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.
Die anderen fünf Maschinen helfen dem Menschen, die auf ein Objekt ausgeübte Kraft zu erhöhen und / oder umzuleiten. Janet L. Kolodner und ihre Co-Autoren schreiben in ihrem Buch "Moving Big Things" (Es ist an der Zeit, 2009): "Maschinen bieten mechanische Vorteile, um Objekte zu bewegen. Mechanische Vorteile sind der Kompromiss zwischen Kraft und Distanz. "" In der folgenden Diskussion der einfachen Maschinen, die die auf ihren Eingang ausgeübte Kraft erhöhen, werden wir die Reibungskraft vernachlässigen, da in den meisten dieser Fälle die Reibungskraft im Vergleich zu den beteiligten Eingangs- und Ausgangskräften sehr gering ist.
Wenn eine Kraft über eine Distanz ausgeübt wird, erzeugt sie Arbeit. Mathematisch wird dies ausgedrückt als W = F × D. Um beispielsweise ein Objekt anzuheben, müssen wir daran arbeiten, die Kraft aufgrund der Schwerkraft zu überwinden und das Objekt nach oben zu bewegen. Um ein doppelt so schweres Objekt anzuheben, ist doppelt so viel Arbeit erforderlich, um es um dieselbe Strecke anzuheben. Es ist auch doppelt so viel Arbeit erforderlich, um dasselbe Objekt doppelt so weit anzuheben. Wie aus der Mathematik hervorgeht, besteht der Hauptvorteil von Maschinen darin, dass wir die gleiche Menge an Arbeit ausführen können, indem wir über eine größere Distanz eine geringere Kraft aufbringen.
Hebel
"Gib mir einen Hebel und einen Platz zum Stehen, und ich werde die Welt bewegen." Diese prahlerische Behauptung wird dem griechischen Philosophen, Mathematiker und Erfinder Archimedes aus dem dritten Jahrhundert zugeschrieben. Während es ein bisschen übertrieben sein mag, drückt es die Kraft der Hebelwirkung aus, die zumindest im übertragenen Sinne die Welt bewegt.
Das Genie von Archimedes bestand darin, zu erkennen, dass man mit einem Hebel einen Kompromiss zwischen Kraft und Distanz eingehen kann, um die gleiche Menge oder Arbeit zu erreichen. Sein Gesetz des Hebels besagt: "Größen sind in Entfernungen im Gleichgewicht, die wechselseitig proportional zu ihren Gewichten sind", laut "Archimedes im 21. Jahrhundert", einem virtuellen Buch von Chris Rorres an der New York University.
Der Hebel besteht aus einem langen Balken und einem Drehpunkt oder Drehpunkt. Der mechanische Vorteil des Hebels hängt vom Verhältnis der Balkenlängen auf beiden Seiten des Drehpunkts ab.
Nehmen wir zum Beispiel an, wir möchten ein 100-Pfund-Gewicht heben. (45 Kilogramm) Gewicht 2 Fuß (61 Zentimeter) über dem Boden. Wir können 100 Pfund ausüben. Kraft auf das Gewicht in Aufwärtsrichtung für eine Entfernung von 2 Fuß, und wir haben 200 Pfund-Fuß (271 Newtonmeter) Arbeit geleistet. Wenn wir jedoch einen 9 m langen Hebel mit einem Ende unter dem Gewicht und einem 30,5 cm langen Drehpunkt unter dem Balken verwenden würden, der 3 m vom Gewicht entfernt ist, hätten wir nur am anderen Ende mit 50 lbs nach unten drücken. (23 kg) Kraft zum Anheben des Gewichts. Wir müssten jedoch das Ende des Hebels um 1,2 m nach unten drücken, um das Gewicht um 2 Fuß anzuheben. Wir haben einen Kompromiss geschlossen, bei dem wir den Abstand zum Bewegen des Hebels verdoppelt haben, aber die erforderliche Kraft um die Hälfte verringert haben, um die gleiche Menge an Arbeit zu erledigen.
Schiefe Ebene
Die schiefe Ebene ist einfach eine flache Oberfläche, die wie eine Rampe in einem Winkel angehoben ist. Laut Bob Williams, Professor in der Abteilung für Maschinenbau am Russ College of Engineering and Technology der Ohio University, ist ein geneigtes Flugzeug eine Möglichkeit, eine Last anzuheben, die zu schwer wäre, um sie direkt anzuheben. Der Winkel (die Steilheit der schiefen Ebene) bestimmt, wie viel Kraft erforderlich ist, um das Gewicht anzuheben. Je steiler die Rampe, desto mehr Aufwand ist erforderlich. Das bedeutet, wenn wir unsere 100 Pfund heben. Gewicht 2 Fuß durch Aufrollen auf eine 4-Fuß-Rampe, reduzieren wir die benötigte Kraft um die Hälfte, während wir die Entfernung verdoppeln, die bewegt werden muss. Wenn wir eine 2,4 m lange Rampe verwenden würden, könnten wir die erforderliche Kraft auf nur 25 lbs reduzieren. (11,3 kg).
Rolle
Wenn wir das gleiche 100-Pfund heben wollen. Gewicht mit einem Seil, könnten wir eine Riemenscheibe an einem Balken über dem Gewicht befestigen. Dies würde uns nach unten anstatt nach oben am Seil ziehen lassen, aber es erfordert immer noch 100 Pfund. der Kraft. Wenn wir jedoch zwei Riemenscheiben verwenden würden - eine am Oberbalken und die andere am Gewicht - und ein Ende des Seils am Balken befestigen würden, führen Sie es durch die Riemenscheibe am Gewicht und dann durch Mit der Riemenscheibe am Balken müssten wir nur mit 50 lbs am Seil ziehen. Kraft, um das Gewicht zu heben, obwohl wir das Seil 4 Fuß ziehen müssten, um das Gewicht 2 Fuß zu heben. Wieder haben wir größere Distanz gegen verringerte Kraft getauscht.
Wenn wir über eine noch größere Distanz noch weniger Kraft aufwenden wollen, können wir einen Block und ein Gerät verwenden. Laut Kursmaterialien der University of South Carolina ist "ein Block und ein Gerät eine Kombination von Riemenscheiben, die die zum Anheben von etwas erforderliche Kraft reduziert. Der Nachteil ist, dass für einen Block und ein Gerät eine längere Seillänge erforderlich ist etwas gleich weit bewegen. "
So einfach Riemenscheiben auch sind, sie finden immer noch Verwendung in den fortschrittlichsten neuen Maschinen. Beispielsweise verwendet der Hangprinter, ein 3D-Drucker, mit dem Objekte in Möbelgröße hergestellt werden können, ein System aus Drähten und computergesteuerten Riemenscheiben, die an Wänden, Boden und Decke verankert sind.
Schraube
"Eine Schraube ist im Wesentlichen eine lange Neigungsebene, die um eine Welle gewickelt ist, sodass ihr mechanischer Vorteil auf die gleiche Weise wie die Neigung erreicht werden kann", so HyperPhysics, eine Website der Georgia State University. Viele Geräte verwenden Schrauben, um eine Kraft auszuüben, die viel größer ist als die Kraft, die zum Drehen der Schraube verwendet wird. Diese Geräte umfassen Schraubstöcke und Radmuttern an Autorädern. Sie erhalten einen mechanischen Vorteil nicht nur durch die Schraube selbst, sondern in vielen Fällen auch durch die Hebelwirkung eines langen Griffs, mit dem die Schraube gedreht wird.
Keil
Laut dem New Mexico Institute of Mining and Technology "bewegen Keile geneigte Ebenen, die unter Lasten zum Heben oder in eine Last zum Teilen oder Trennen gefahren werden." Ein längerer, dünnerer Keil bietet mehr mechanische Vorteile als ein kürzerer, breiterer Keil, aber ein Keil macht noch etwas anderes: Die Hauptfunktion eines Keils besteht darin, die Richtung der Eingangskraft zu ändern. Wenn wir beispielsweise einen Baumstamm teilen möchten, können wir mit einem Vorschlaghammer einen Keil mit großer Kraft nach unten in das Ende des Baumstamms treiben, und der Keil leitet diese Kraft nach außen um, wodurch das Holz gespalten wird. Ein anderes Beispiel ist ein Türstopper, bei dem die Kraft, die verwendet wird, um ihn unter den Rand der Tür zu drücken, nach unten übertragen wird, was zu einer Reibungskraft führt, die einem Gleiten über den Boden widersteht.
Im Museum für Wissenschaft und Industrie in Chicago finden Sie einige unterhaltsame Aktivitäten mit einfachen Maschinen.
