לאורך ההיסטוריה פיתחו בני אדם מספר מכשירים כדי להקל על העבודה. הבולטים שבהם מכונים "שש מכונות פשוטות": הגלגל והציר, המנוף, המטוס המשופע, הגלגלת, הבורג וה טריז, אם כי השלושה האחרונים הם למעשה רק שלוחות או שילובים של הראשון שלוש.
מכיוון שעבודה מוגדרת ככוח הפועל על עצם בכיוון של תנועה, מכונה מקלה על ביצוע העבודה על ידי ביצוע אחת או יותר מהפונקציות הבאות, על פי מעבדת ג'פרסון:
- העברת כוח ממקום למקום,
- שינוי הכיוון של כוח,
- הגדלת גודל כוח, או
- הגדלת המרחק או המהירות של כוח.
מכונות פשוטות הן מכשירים ללא חלקים נעים, או מעטים מאוד, המקלים על העבודה. רבים מהכלים המורכבים של ימינו הם רק שילובים או צורות מורכבות יותר של שש המכונות הפשוטות, לפי אוניברסיטת קולורדו בבולדר. לדוגמה, אנו עשויים לחבר ידית ארוכה לפיר לייצור משקפי רוח, או להשתמש בלוק ומתמודד כדי למשוך עומס במעלה הרמפה. למרות שמכונות אלה אולי נראות פשוטות, הן ממשיכות לספק לנו את האמצעים לעשות דברים רבים שלעולם לא נוכל לעשות בלעדיהם.
גלגל וציר
הגלגל נחשב לאחת ההמצאות המשמעותיות ביותר בתולדות העולם. "לפני המצאת הגלגל בשנת 3500 לפנה"ס, בני אדם היו מוגבלים מאוד בכמה דברים נוכל להעביר מעל היבשה, ועד כמה רחוק", כתבה נטלי וולוכובר במאמר Live Science "עשרת ההמצאות ששינו את העולם." "עגלות עם גלגלים הקלו על חקלאות ומסחר בכך שאפשרו הובלת סחורות לשווקים וממנה, וכן הקלות בנטל האנשים הנוסעים למרחקים גדולים."
הגלגל מצמצם מאוד את החיכוך שנתקל בעת העברת חפץ מעל פני השטח. "אם אתה מניח את ארון הקבצים שלך על עגלה קטנה עם גלגלים, אתה יכול להפחית מאוד את הכוח שאתה צריך להפעיל כדי להזיז את הארון במהירות קבועה", על פי אוניברסיטת טנסי.
בספרו "מדע קדום: פרהיסטוריה עד לספירה 500" (גארת 'סטיבנס, 2010), צ'רלי סמואלס כותב, "באזורים בעולם הועברו חפצים כבדים כמו סלעים וסירות באמצעות גלילי עץ. ככל שהאובייקט התקדם, גלילים נלקחו מאחור והוחלפו מקדימה. " זה היה הצעד הראשון בהתפתחות הגלגל.
אולם החידוש הגדול היה בהרכבת גלגל על ציר. ניתן לחבר את הגלגל לציר שנתמך על ידי מיסב, או שניתן היה לגרום לו להסתובב בחופשיות סביב הציר. זה הוביל להתפתחות עגלות, עגלות ומרכבות. לפי סמואלס, ארכיאולוגים משתמשים בפיתוח גלגל שמסתובב על ציר כאינדיקטור לציוויליזציה מתקדמת יחסית. העדויות המוקדמות ביותר לגלגלים על צירים הם בערך 3200 לפנה"ס. על ידי השומרים. הסינים המציאו את הגלגל באופן עצמאי בשנת 2800 לפנה"ס.
מכפיל כוח
בנוסף להפחתת החיכוך, גלגל וציר יכולים לשמש גם כמכפיל כוח, על פי Science Quest מווילי. אם גלגל מחובר לציר, וכוח משמש להפעלת הגלגל, כוח הסיבוב או המומנט על הציר גדול בהרבה מהכוח המופעל על שפת הגלגל. לחלופין, ניתן לחבר ידית ארוכה לציר בכדי להשיג אפקט דומה.
חמש המכונות האחרות מסייעות לבני אדם להגדיל ו / או להפנות את הכוח המופעל על חפץ. בספרם "העברת דברים גדולים" (הגיע הזמן, 2009), כותבים ג'נט ל 'קולודנר וחבריה המשותפים, "מכונות מספקות יתרון מכני לסייע בהנעת חפצים. יתרון מכני הוא הסחר בין כוח למרחק. " בדיון הבא על המכונות הפשוטות המגדילות את הכוח המופעל על קלטם, נזניח את כוח החיכוך, מכיוון שברוב המקרים הללו, כוח החיכוך הוא קטן מאוד לעומת כוחות הקלט והפלט המעורבים.
כאשר כוח מופעל על מרחק, הוא מייצר עבודה. מבחינה מתמטית זה בא לידי ביטוי כ W = F × D. לדוגמא, כדי להרים אובייקט, עלינו לבצע עבודות כדי להתגבר על הכוח בגלל כוח המשיכה ולהניע את העצם כלפי מעלה. כדי להרים חפץ כבד כפל, דרושה עבודה כפולה כדי להרים אותו באותו מרחק. זה לוקח גם עבודה כפולה כדי להרים את אותו אובייקט פעמיים. כפי שמצוין במתמטיקה, היתרון העיקרי של המכונות הוא בכך שהם מאפשרים לנו לבצע את אותה כמות עבודה על ידי הפעלת כמות קטנה יותר של כוח על פני מרחק גדול יותר.
מנוף
"תן לי מנוף ומקום לעמוד, ואני אניע את העולם." טענה מתפארת זו מיוחסת לפילוסוף היווני מהמאה השלישית, המתמטיקאי והממציא ארכימדס. למרות שזה עשוי להיות מוגזם, הוא אכן מבטא את כוח המינוף, מה שמרגש, לפחות באופן פיסורטיבי, את העולם.
גאונותו של ארכימדס הייתה להבין שכדי להשיג את אותה כמות או עבודה אפשר היה לבצע חילוף בין כוח למרחק באמצעות מנוף. על פי "ארכימדס במאה ה -21", ספר וירטואלי של כריס רורס מאוניברסיטת ניו יורק, אומר חוק המנוף, "מגדלים נמצאים בשיווי משקל במרחקים ביחס הדדי למשקולותיהם".
המנוף מורכב מקורה ארוכה ונקודת משען, או ציר. היתרון המכני של המנוף תלוי ביחס בין אורכי הקורה משני צידי נקודת המשען.
לדוגמה, נניח שאנחנו רוצים להרים 100 קילוגרם. (45 קילוגרם) משקל מטר וחצי (61 סנטימטרים) מהשטח. אנחנו יכולים להפעיל 100 קילוגרמים. של כוח על המשקל בכיוון כלפי מעלה למרחק של 2 מטר ועשינו 200 רגל פאונד (271 מטר של ניוטון). עם זאת, אם היינו משתמשים במנוף 30 מטר (9 מ ') עם קצה אחד מתחת למשקל וגובה נקבה (30.5 ס"מ) שמונח מתחת לקורה 3 רגל (3 מ') מהמשקל, היינו רק צריכים לדחוף את הצד השני עם 50 קילו. (23 ק"ג) כוח להרמת המשקל. עם זאת, נצטרך לדחוף את קצה המנוף למרחק של 1.2 מטר כדי להרים את המשקל 2 מטר. עשינו חילוף שבו הכפלנו את המרחק שהיה עלינו להזיז את המנוף, אך הקטנו את הכוח הדרוש בחצי בכדי לבצע אותה כמות עבודה.
מישור משופע
המטוס המשופע הוא פשוט משטח שטוח המורם בזווית, כמו רמפה. לדברי בוב וויליאמס, פרופסור במחלקה להנדסת מכונות במכללת רוס להנדסה וטכנולוגיה באוניברסיטת אוהיו, מטוס נוטה הוא דרך להרים עומס שיהיה כבד מכדי להרים ישר למעלה. הזווית (תלילות המטוס המשופע) קובעת כמה מאמץ נדרש להעלאת המשקל. ככל שהרמפה תלולה יותר, נדרש מאמץ רב יותר. זה אומר שאם נרים את ה- £ 100. משקל מטר וחצי על ידי גלגולו במעלה רמפה של 4 רגל, אנו מצמצמים את הכוח הדרוש בחצי תוך הכפלת המרחק שיש להזיז אותו. אם היינו משתמשים ברמפה של מטר וחצי, היינו יכולים להפחית את הכוח הדרוש ל 25 פאונד בלבד. (11.3 ק"ג).
גלגלת
אם אנו רוצים להרים את אותו 100 £. משקל בעזרת חבל, נוכל לחבר גלגלת לקורה מעל המשקל. זה יאפשר לנו למשוך במקום על החבל, אבל זה עדיין דורש 100 קילוגרמים. של כוח. עם זאת, אם היינו משתמשים בשתי גלגלות - האחת מחוברת לקורה העליונה, והשנייה מחוברת למשקל - והיינו מחברים קצה אחד של החבל לקורה, נעביר אותו דרך הגלגלת על המשקל ואז דרך הגלגלת בקורה, נצטרך רק למשוך את החבל עם £ 50. כוח להרים את המשקל, למרות שנצטרך למשוך את החבל 4 רגל כדי להרים את המשקל 2 רגל. שוב, סחרנו מרחק מוגבר לירידה בכוח.
אם אנו רוצים להשתמש בפחות כוח עוד יותר על מרחק גדול עוד יותר, נוכל להשתמש בלוק ולהתמודד. על פי חומרי הקורס מאוניברסיטת דרום קרוליינה, "חסימת מתקן היא שילוב של גלגלות המפחית את כמות הכוח הנדרשת כדי להרים משהו. הטרייד-אפ הוא שנדרש אורך ארוך יותר של חבל לחסימה ותיקון להזיז משהו באותו מרחק. "
פשוטות כמו גלגלות, הן עדיין מוצאות שימוש במכונות החדשות המתקדמות ביותר. לדוגמה, ה- Hangprinter, מדפסת תלת ממדית שיכולה לבנות חפצים בגודל רהיטים, מעסיקה מערכת חוטים וגלגלות מבוקרות מחשב המעוגנות לקירות, לרצפה ולתקרה.
בורג
על פי HyperPhysics, אתר שהופק על ידי אוניברסיטת מדינת ג'ורג'יה, "HyperPhysics, אתר המיוצר על ידי אוניברסיטת מדינת ג'ורג'יה, אומר" HyperPhysics, אתר שמופק על ידי אוניברסיטת מדינת ג'ורג'יה, "בורג הוא למעשה מטוס שיפוע ארוך, עטוף סביב פיר, כך שניתן לגשת ליתרון המכני שלו באותה צורה כמו בשיפוע." מכשירים רבים משתמשים בברגים בכדי להפעיל כוח שהוא גדול בהרבה מהכוח המשמש לסיבוב הבורג. מכשירים אלה כוללים פגעי ספסל ואגוזי מזוודות על גלגלי רכב. הם משיגים יתרון מכני לא רק מהבורג עצמו אלא גם, במקרים רבים, מהמינוף של ידית ארוכה המשמשת לסיבוב הבורג.
טריז
על פי נתוני מכון הכרייה והטכנולוגיה של ניו מקסיקו, "טריזים מזיזים מטוסים נוטים המונעים תחת עומסים כדי להרים, או לתוך עומס לפיצול או הפרדה." טריז ארוך יותר ורזה מעניק יתרון מכני יותר מאשר טריז קצר יותר ורחב יותר, אך טריז עושה משהו אחר: התפקיד העיקרי של טריז הוא לשנות את כיוון כוח הקלט. לדוגמא, אם ברצוננו לפצל בול עץ, נוכל להניע טריז כלפי מטה אל קצה היומן בעוצמה רבה באמצעות מזחלת, וה טריז יפנה את הכוח הזה כלפי חוץ, ויביא להתפצלות העץ. דוגמא נוספת היא מפסק דלת, בו הכוח המשמש לדחיפתו מתחת לשולי הדלת מועבר כלפי מטה, וכתוצאה מכך כוח חיכוך המתנגד להחליק על הרצפה.
מצא פעילויות מהנות הכוללות מכונות פשוטות במוזיאון המדע והתעשייה בשיקגו.
