Úvod/Motivace
kdo z vás studentů skutečně vychutnat zvedání nebo přemisťování těžkých předmětů? Taková namáhavá práce spotřebovává naši energii, často nás nechává velmi unavené a unavené a někdy zraněné, pokud nesprávně zvedáme nebo pohybujeme předměty. Tento nešťastný výsledek je přesně důvod, proč inženýři neustále přemýšlejí o způsobech, jak můžeme pracovat snadněji-abychom mohli pracovat chytřeji a ne tvrději. Jedním ze způsobů, jak toho inženýři dosáhnou, je navrhování strojů, které pomáhají usnadnit a zefektivnit práci., Přesněji řečeno, každý stroj se dnes skládá z jednoho nebo více ze šesti známých jednoduchých strojů — základních součástí všech mechanických strojů. V této lekci budeme podrobně studovat tři z těchto užitečných zařízení: nakloněnou rovinu, klín a šroub. Ačkoli inženýři používají každý z těchto tří jednoduchých strojů pro různé účely, všichni pracují na stejných mechanických principech.
než půjdeme dál, potřebujeme stručný přehled základních principů o jednoduchých strojích (což se ukáže jako zvláště užitečné při studiu každého jednotlivého stroje)., Nejdůležitějším faktem je, že jednoduché stroje nikdy nemění množství provedené práce, pouze způsob, jakým se práce provádí. Pojďme se podívat na definici práce, který je definován jako součin síly a vzdálenosti a písemné matematicky jako:
Vzhledem k množství práce se nemění pro konkrétní fuška, tato hodnota zůstává konstantní. Síla i vzdálenost však mohou být ve skutečnosti změněny., Jednoduché stroje často vykonávají práci odlišně použitím vstupní síly nebo úsilí na větší vzdálenost, aby se usnadnila práce. To znamená, že za účelem snížení množství síly potřebné k práci musí být vzdálenost úměrně zvýšena. Například, řekněme, že Emma inženýr potřebuje udělat 20 joulů v hodnotě práce. Může toho dosáhnout mnoha různými způsoby, jedním z nich je vyvinout sílu 20 Newtonů na vzdálenost 1 metru. Jednodušší metoda však může zahrnovat aplikaci pouhé 2 Newtonovy síly na vzdálenost 10 metrů., V obou případech, Emma dělá stejné množství práce; nicméně, je pro ni mnohem snazší to dosáhnout použitím menší síly na další vzdálenost. Obrázek 2 ukazuje, jak lze dosáhnout stejného množství práce mnoha různými způsoby, i když některé způsoby jsou jednodušší — nebo efektivnější — než jiné. To je případ při používání stroje.
Nakloněné Rovině,
nakloněné rovině (viz Obrázek 3) je možná nejstarší a nejzákladnější jednoduchý stroj známo, že inženýři. Ve skutečnosti, mnozí z vás se pravděpodobně ptají, jak by mohl být šikmý povrch klasifikován jako „stroj“.“Toto zařízení však dává inženýrům mimořádnou schopnost snadno zvedat těžké předměty do vyšší polohy.
hlavní myšlenkou je, že menší úsilí je zapotřebí, jestliže zatížení se přenáší přes dlouhé rampy nebo šikmé cestě, narozdíl od zvedání přímo po svislé cestě. Například, možná jste si všimli, jak stěhováci pohybovat velmi těžké předměty, jako je klavír, do jejich jedoucího náklaďáku. Je zřejmé, že nemohou snadno zvednout tak těžký kus nábytku přímo nahoru a do zadní části svého vozu., Místo toho používají dlouhou rampu — nebo nakloněnou rovinu — k dokončení práce. Tato myšlenka byla již dávno používána starými Egypťany: použili nakloněnou rovinu a lidskou sílu k vybudování monumentálních struktur do úžasných výšek. Dokonce i dnes inženýři používají nakloněnou rovinu v mnoha dalších aplikacích, aby dosáhli zdánlivě nemožných úkolů. Jen některé z těchto příkladů zahrnují rampy pro vozíčkáře, eskalátory, schody, dálnice a dokonce i turistické stezky, které se spoléhají na nakloněnou rovinu jako prostředek pro snadnější zvedání těžkých předmětů.,
Wedge
kromě zvedání těžkých předmětů se inženýři také zajímají o dělení nebo oddělování materiálu s co nejmenším úsilím. V tomto případě inženýři použít klín tak, aby úkoly, jako je sekání dříví, řezání papíru, a sečení metrů jsou mnohem jednodušší. Klín, jak je znázorněno na obrázku 4, je jednoduchý stroj často považován za mírnou změnu nakloněné roviny, protože se skutečně skládá ze dvou nakloněných rovin nastavených dozadu. Výsledkem je, že jeden konec je tlustší než druhý,takže se vytvoří ostrá ostří.,
i Když je pravda, že klín je velmi podobné nakloněné rovině fyzicky, inženýři používat tento stroj pro trochu jiné účely. Nakloněná rovina slouží k přepravě těžkých předmětů po stacionárním povrchu, zatímco samotný klín se může pohybovat za účelem pohybu nebo zvedání předmětů., Proto je klín v podstatě nakloněnou rovinou v pohybu. Při pohybu klínu se přední síla přemění na vnější nebo dělící sílu používanou k oddělení nebo rozdělení materiálu.
i když klín lze také použít k zvedání nebo pohybu objektů na krátkou vzdálenost, v průběhu historie byl primárně využíván jako cenné řezací zařízení. Sekera je klasickým příkladem toho, jak se klín používá k usnadnění práce. Dokážete si představit, jak těžké by bylo kácet strom nebo sekat dřevo bez sekery?, Ani ten nejsilnější z mužů, kteří tahali kus dřeva v opačných směrech, nemohl dokončit práci. Přesto, obecně jeden statný houpačka sekery dosáhne výkonu s malým úsilím.
kromě axe, další známé nástroje, jako je nůž, lopata, pluh a nůžky všech využijte klín, aby se snadno oddělit vázaný materiál. Můžete myslet na další zařízení, kde je klín v práci? Někdy je obtížné identifikovat klín v různých konstrukčních provedeních dnes kvůli mnoha různým vzhledům, které může mít., Je však zajímavé, když si uvědomíme, kde je klín lze nalézt v mnoha neznámých místech stejně, jako trup lodi, letadla křídla, a dokonce i naše přední zuby!
šroub
zatímco všech šest jednoduchých strojů má své vlastní odlišné vlastnosti, pouze šroub je schopen převést rotační sílu na příznivou lineární sílu. Tato charakteristika je žádoucí v mnoha inženýrských aplikacích, kde rotační pohyb je jediným zdrojem úsilí, které je k dispozici pro práci, jako je proudový motor., Podobně jako klín je šroub (viz obrázek 5) také úzce spojen s nakloněnou rovinou, protože je ve skutečnosti složen z nakloněné roviny zabalené kolem válce. Spirálovité hrany kolem válcového povrchu, běžně označované jako závity šroubů, dávají šroubu schopnost pracovat.
Protože inženýři mohou použít tento stroj do dvou různých nesouvisejících aplikací, šroub má dva obecné klasifikace: upevňovací šroub a zvedací šroub. Na rozdíl od klínu, který je navržen se schopností řezat a oddělit materiál, se upevňovací šroub používá k upevnění a spojování dvou kusů materiálu dohromady. Tento typ šroubu má obvykle ostré závity, které řez do částí, které jsou spojeny dohromady. Materiály se nakonec stlačí a drží pohromadě mezi hlavou šroubu a jeho nitěmi., Tření z drsných nití na druhé straně udržuje šroub v průběhu času volný.
zvedací šroub je jiný typ šroubu, určené především pro zvedání nebo přemisťování hmoty ve směru rovnoběžném s osou šroubu. Vzhledem k tomu, že zvedací šroub se musí mnohokrát otáčet, aby se zátěž posunula na krátkou vzdálenost, je práce s jeho pomocí snazší. I když to může být těžké představit, skvělým příkladem zvedacího šroubu je společná vrtule nalezená na malém letadle nebo lodi., Když vrtule se točil rotační síly poskytována motor, lineární síla je vytvořena podél jeho rotační osy pro výrobu tah. Aeronautičtí inženýři také zjistili, že tento nástroj je mimořádně přínosný pro rotory vrtulníků a proudové motory.
kromě vrtule, točité schodiště, matice a šroub, woodscrew, nebozez, vrták, šnekové soukolí, a větrný mlýn jsou také dobré příklady, jak šroub je aplikován v mnoha užitečné inženýrské systémy dnes.