เครื่องจักรอย่างง่าย 6 ประเภททำงานอย่างไร

งานถูกกำหนดไว้ในฟิสิกส์ว่าเป็นการใช้แรงเพื่อเคลื่อนย้ายวัตถุในระยะทาง หนึ่ง ; การอนุรักษ์งานเป็นหลักการพื้นฐานของเครื่องจักรง่ายๆ เครื่องจักรธรรมดาสร้างแรงได้มากกว่าที่เราใช้โดยตรง ความสัมพันธ์ระหว่างแรงทั้งสองนี้เป็นข้อได้เปรียบเชิงกลที่เครื่องจักรมีให้ เครื่องจักรง่ายๆ หกเครื่องที่เราอธิบายในที่นี้มีการใช้งานมานานนับพันปี และหลายเครื่องได้รับการอธิบายทางร่างกายโดยนักปรัชญาชาวกรีก อาร์คิมิดีสซึ่งมีชีวิตอยู่ระหว่าง 287 ถึง 212 ปีก่อนคริสตกาล เมื่อนำเครื่องจักรเหล่านี้มารวมกัน จะทำให้เกิดข้อได้เปรียบเชิงกลที่มากขึ้น เช่น ในกรณีของจักรยาน

บันทึกแรกของการใช้คำว่า “เครื่องจักร” ( machina ) เป็นภาษากรีก และโฮเมอร์กวีชาวกรีกในศตวรรษที่แปดก่อนคริสต์ศักราชใช้คำนี้เพื่ออ้างถึงการจัดการทางการเมือง นักเขียนบทละครชาวกรีก Aeschylus ซึ่งมีชีวิตอยู่ระหว่าง 523 ถึง 426 ปีก่อนคริสตกาล ได้รับการยกย่องว่าใช้คำนี้โดยอ้างอิงถึงเครื่องจักรในการแสดงละครเป็น deus ex machina (“เทพเจ้าแห่งเครื่องจักร”) เครื่องนี้เป็นปั้นจั่นที่ยกนักแสดงที่เล่นเป็นเทพเจ้าขึ้นไปบนเวที

ลองดูเครื่องจักรอาร์คิมีดีนหกประเภท:

คันโยก

คันโยกเป็นเครื่องจักรง่ายๆ ที่ประกอบด้วยวัตถุแข็ง คันโยก (มักเป็นแท่งที่ทำจากวัสดุบางประเภทที่ทนทานต่อการหักงอ) และจุดหมุนหรือจุดหมุน การส่งแรงไปที่ปลายด้านหนึ่งของวัตถุแข็งทำให้หมุนรอบจุดรองรับ ทำให้เกิดการส่งแรงไปยังปลายอีกด้านหนึ่งของวัตถุแข็ง คันโยกมีสามประเภทขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ออกแรง ตำแหน่งที่ได้รับแรงส่ง และตำแหน่งของจุดศูนย์กลางบนคันโยก บันทึกแรกของการใช้คานเป็นตราชูเมื่อประมาณ 5,000 ปีก่อนคริสตกาล อาร์คิมิดีสให้เครดิตกับวลีที่ว่า ” ให้คันโยกและจุดรองรับแก่ฉัน แล้วฉันจะเคลื่อนโลก ” เกมกระดานหกและสาลี่ที่รู้จักกันดีเป็นตัวอย่างของคันโยกในชีวิตประจำวัน

ล้อ

ล้อเป็นวัตถุทรงกลมที่ติดอยู่ตรงกลางกับแกนแข็งซึ่งก็คือแกน แรงที่กระทำต่อล้อทำให้เพลาหมุน ขยายแรงที่กระทำต่อวัตถุทรงกลมเมื่อเทียบกับแรงที่กระทำต่อเพลา ระยะทางที่ครอบคลุมโดยแรงที่กระทำต่อวัตถุทรงกลมจะมากกว่าระยะทางที่ครอบคลุมโดยแรงที่ส่งบนแกน ดังนั้นจึงเป็นการรักษางานตามที่เรากำหนดไว้ในตอนต้นของบทความ ในทางกลับกัน แรงที่กระทำต่อเพลาเพื่อให้หมุนจะแปลเป็นการหมุนของล้อ ซึ่งในกรณีนี้จะขยายการเคลื่อนที่ ระยะทางที่ล้อเคลื่อนที่ ล้อสามารถตีความได้ว่าเป็นคันโยกประเภทหนึ่งซึ่งใช้แรงกับล้อและส่งไปยังจุดที่แกนเชื่อมต่อกับวัตถุทรงกลมเมโสโปเตเมียประมาณ 3,500 ปีก่อนคริสตกาล ยางรถยนต์และล้อจักรยานเป็นตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของการรวมล้อและเพลาในชีวิตประจำวัน

ระนาบเอียง

ระนาบเอียงคือพื้นผิวเรียบที่ทำมุมกับพื้นผิวอื่น ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการยกวัตถุ คุณสามารถทำให้มันเลื่อนบนพื้นผิวที่ทำมุมกับระนาบแนวนอน แทนที่จะยกขึ้นโดยตรง ด้วยวิธีนี้ เราใช้แรงที่น้อยลงในระยะทางที่ไกลขึ้น จึงคงการทำงานแบบเดียวกับที่เรายกขึ้นโดยตรง นี่คือระนาบเอียงที่ง่ายที่สุดคือทางลาด ต้องใช้แรงน้อยกว่าในการปีนทางลาดไปยังระดับความสูงที่สูงกว่าการปีนความสูงนั้นในแนวตั้ง แต่ครอบคลุมระยะทางที่มากกว่า ทางลาดถูกใช้ในการสร้างอาคารขนาดใหญ่ ( สถาปัตยกรรมขนาดใหญ่ ) ตั้งแต่ 10,000 ถึง 8,500 ปีก่อนคริสตกาล ใน  สภาวะสมดุลบนระนาบอาร์คิมีดีสอธิบายจุดศูนย์ถ่วงของรูปทรงระนาบเรขาคณิตต่างๆ

เปล

ลิ่มมักถูกมองว่าเป็นระนาบเอียงสองเท่า (ทั้งสองด้านของลิ่มเป็นระนาบเอียง) ที่เลื่อนเพื่อออกแรงไปตามด้านข้าง แรงตั้งฉากกับพื้นผิวเอียง จึงสามารถแยกวัตถุสองชิ้นหรือแยกวัตถุชิ้นเดียวออกเป็นสองส่วนได้ ขวาน มีด และสิ่วเป็นลิ่ม ลิ่มประตูใช้แรงเสียดทานจากพื้นผิวเพื่อขัดขวางการเคลื่อนตัวของประตู แทนที่จะแยกบางสิ่งออกเป็นสองส่วน แต่โดยพื้นฐานแล้วมันยังคงเป็นลิ่ม ลิ่มเป็นเครื่องจักรที่เรียบง่ายที่เก่าแก่ที่สุด ซึ่งบรรพบุรุษของเราใช้  Homo erectus  เมื่อ 1.2 ล้านปีก่อนเพื่อทำเครื่องมือหิน

สกรู

สกรูคือเพลาที่มีร่องลาดบนพื้นผิวของมัน เมื่อสกรูหมุนเมื่อมีแรงสองสามแรงกระทำกับแกน แรงจะถูกส่งในแนวตั้งฉากกับช่อง จึงเปลี่ยนแรงหมุนเป็นแรงเชิงเส้น มักใช้เพื่อเชื่อมต่อวัตถุเช่นเดียวกับสกรูและโบลต์ทั่วไป ชาวบาบิโลนในเมโสโปเตเมียได้พัฒนาสกรูในศตวรรษที่ 7 ก่อนคริสต์ศักราชเพื่อยกน้ำเพื่อให้พวกเขาสามารถทดน้ำสวนด้วยน้ำจากแม่น้ำ เครื่องจักรนี้ต่อมาจะรู้จักกันในชื่อสกรูอาร์คิมีดีน

ลูกรอก

รอกคือล้อที่มีร่องตามขอบซึ่งสามารถติดเชือกหรือสายเคเบิลได้ สามารถใช้เพื่อเปลี่ยนทิศทางของแรง หรือเช่นเดียวกับคันโยกหรือล้อ เพื่อใช้แรงน้อยกว่ากับผลลัพธ์แต่ในระยะทางที่มากขึ้น แรงทั้งสองจึงทำงานเหมือนกัน แรงที่ใช้เป็นผลจากการตึงเชือก ระบบรอกที่ซับซ้อนสามารถใช้เพื่อลดแรงที่จำเป็นอย่างมากในการเคลื่อนย้ายวัตถุโดยการรวมรอกที่เปลี่ยนทิศทางของแรงเข้ากับรอกที่ลดแรงที่จะกระทำ ชาวบาบิโลนใช้รอกธรรมดาในศตวรรษที่เจ็ดก่อนคริสต์ศักราช ระบบรอกที่ซับซ้อนระบบแรกที่รวมรอกหลายตัวถูกคิดค้นโดยชาวกรีกเมื่อประมาณ 400 ปีก่อนคริสตกาล

แหล่งที่มา

• เบาติสต้า ปาซ เอมิลิโอ และคณะ ประวัติโดยย่อของเครื่องจักรและกลไก ดอร์เดรชท์ เยอรมนี: Springer, 2010
• เซคาเรลลี, มาร์โก. ผลงานของอาร์คิมีดีสเกี่ยวกับกลศาสตร์และการออกแบบกลไก ทฤษฎีกลไกและเครื่องจักร 72 (2014) 86–93.
• Chondros, Thomas G. Archimedes ชีวิต งาน และเครื่องจักร ทฤษฎีกลไกและเครื่องจักร 45 (2010) 1766–75
• ปิซาโน, ราฟฟาเอเล และดานิโล คาเปกชี เกี่ยวกับรากฐานของอาร์คิมีดีนในกลศาสตร์ของทอร์ริเชลลี อัจฉริยะของอาร์คิมิดีส: 23 ศตวรรษแห่งอิทธิพลของคณิตศาสตร์ วิทยาศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ แก้ไข Paipetis, Stephans A. และ Marco Ceccarelli International Conference, Syracuse, Italy, 8-10 มิถุนายน 2553 Dordrecht, Germany; สปริงเกอร์, 2010. 17–28.
• วอเทอร์ส ชอน และจอร์จ เอ. แอกกิดิส ทบทวนกว่า 2,000 ปี: การคืนชีพของสกรูอาร์คิมิดีส ปั๊มสู่กังหัน บทวิจารณ์พลังงานหมุนเวียนและยั่งยืน 51 (2015) 497–505