Как работят 6-те вида прости машини

Работата се определя във физиката като прилагане на сила за преместване на обект на определено разстояние ; Запазването на работата е основен принцип на простите машини. Простите машини генерират сила, по-голяма от тази, която прилагаме директно; връзката между тези две сили е механичното предимство, което машината осигурява. Шестте прости машини, които описваме тук, се използват от хиляди години и няколко от тях са физически описани от гръцкия философ Архимед , живял между 287 и 212 г. пр.н.е. Когато тези машини се комбинират, те могат да генерират още по-голямо механично предимство, както в случая с велосипед.

Първият запис за употребата на думата „машина“ ( machina ) е на гръцки език и гръцкият поет Омир през осми век пр. н. е. я използва за обозначаване на политическа манипулация. На гръцкия драматург Есхил, който е живял между 523 и 426 г. пр.н.е., се приписва използването на думата по отношение на театралните машини като deus ex machina („бог на машина“). Тази машина беше кран, който издигаше актьори, играещи богове, на сцената.

Нека да разгледаме шестте вида машини на Архимед:

Лост

Лостът е проста машина, състояща се от твърд предмет, лоста (често прът, направен от някакъв вид материал, устойчив на огъване), и опорна или опорна точка. Прилагането на сила към единия край на твърдия обект го кара да се върти около опорната точка, което води до предаване на силата към другия край на твърдия обект. Има три класа лостове в зависимост от това къде се прилага силата, къде се получава предаваната сила и местоположението на опорната точка на лоста. Първият запис за използването на лост е като баланс около 5000 г. пр.н.е. На Архимед се приписва фразата “ Дайте ми лост и опорна точка и аз ще преместя Земята .“ Добре познатата игра на люлка и ръчна количка са ежедневни примери за лостове.

Колело

Колелото е кръгъл обект, който е прикрепен в центъра си към твърд прът, оста. Сила, приложена към колелото, кара оста да се върти, усилвайки силата, приложена към кръглия обект спрямо силата, действаща върху оста. Разстоянието, изминато от силата върху кръглия обект, ще бъде по-голямо от разстоянието, изминато от силата, предадена върху оста, като по този начин се запазва работата, както я дефинирахме в началото на статията. Обратно, сила, приложена към оста, за да я накара да се върти, се превръща във въртене на колелото, усилвайки в този случай движението, разстоянието, изминато от колелото. Колелото може също да се тълкува като вид лост, при който силата се прилага върху колелото и се предава до точката, където оста се свързва с кръглия обект.Месопотамия около 3500 г. пр.н.е. Автомобилните гуми и велосипедните колела са най-често срещаните ежедневни примери за комбинация между колело и ос.

Наклонена равнина

Наклонената равнина е плоска повърхност, която сключва ъгъл с друга повърхност. Например, ако искате да повдигнете обект, можете да го накарате да се плъзга върху повърхност, която образува определен ъгъл с хоризонталната равнина, вместо да го повдигнете директно. По този начин прилагаме по-малка сила на по-голямо разстояние, като по този начин поддържаме същата работа, както ако го бяхме повдигнали директно. Това е основно най-простата наклонена равнина, рампа; Необходима е по-малко сила за изкачване на рампа до по-висока надморска височина, отколкото за изкачване на тази височина вертикално, но се покрива по-голямо разстояние. Рампите са използвани за изграждане на големи сгради ( монументална архитектура ) от 10 000 до 8 500 г. пр.н.е. В  равнинно равновесиеАрхимед описва центровете на тежестта на различни равнинни геометрични фигури.

Люлка

Клинът често се смята за двойна наклонена равнина (двете страни на клина са наклонени равнини), която се плъзга, за да упражнява сила по протежение на страните си. Силата е перпендикулярна на наклонени повърхности, така че може да раздели два обекта или да раздели един обект на две части. Брадвите, ножовете и длетата са клинове. Клинът на вратата използва силата на триене на повърхността си, за да възпрепятства движението на вратата, вместо да разделя нещо на две части, но все още е фундаментално клин. Клинът е най-старата проста машина, използвана от нашите предци  Homo erectus  преди най-малко 1,2 милиона години за направата на каменни инструменти.

Винт

Винтът е вал, който има наклонен канал по повърхността си. Тъй като винтът се върти, когато към неговата ос се прилагат няколко сили, силата се предава перпендикулярно на слота, като по този начин трансформира силата на въртене в линейна сила. Често се използва за свързване на предмети, какъвто е случаят с типичните винт и болт. Вавилонците в Месопотамия са разработили винта през 7 век пр.н.е., за да вдигат вода, за да могат да напояват градина с вода от река. Тази машина по-късно ще бъде известна като Архимедовия винт.

ролка

Макарата е колело с жлеб по ръба, където може да се закрепи въже или кабел. Може да се използва за промяна на посоката на сила или, подобно на лоста или колелото, за прилагане на по-малка сила към резултантната, но за по-голямо разстояние, като по този начин и двете сили вършат една и съща работа. Приложената сила е тази, която е резултат от опъването на въжето. Сложните системи от макари могат да се използват за значително намаляване на силата, необходима за преместване на обект, чрез комбиниране на макари, които променят посоката на силата, с макари, които намаляват силата, която трябва да бъде приложена. Вавилонците са използвали прости макари през седми век пр.н.е.; Първата сложна система от макари, съчетаваща няколко макари, е изобретена от гърците около 400 г. пр.н.е.

Източници

• Баутиста Пас, Емилио и др. Кратка илюстрована история на машините и механизмите . Дордрехт, Германия: Springer, 2010.
• Чекарели, Марко. Приносът на Архимед върху механиката и дизайна на механизмите s. Теория на механизмите и машините 72 (2014) 86–93.
• Чондрос, Томас Г. Животът, работата и машините на Архимед. Теория на механизмите и машините 45 (2010) 1766–75.
• Пизано, Рафаеле и Данило Капеки. За архимедовите корени в механиката на Торичели . Геният на Архимед: 23 века влияние върху математиката, науката и инженерството. изд. Пайпетис, Стефанс А. и Марко Чекарели. Международна конференция, Сиракуза, Италия, 8-10 юни 2010 г. Дордрехт, Германия; Springer, 2010. 17–28.
• Уотърс, Шон и Джордж Агидис. Над 2000 години преглед: възраждане на винта на Архимед, помпа към турбина . Прегледи на възобновяемата и устойчива енергия 51 (2015) 497–505.