introduktion/Motivation
hvilke af jer studerende nyder virkelig at løfte eller flytte tunge genstande? Et sådant anstrengende arbejde bruger vores energi, hvilket ofte efterlader os meget trætte og trætte og undertiden sårede, hvis vi løfter eller flytter genstande forkert. Dette uheldige resultat er netop, hvorfor ingeniører konstant tænker på måder, vi kan gøre arbejdet lettere — så vi kan arbejde smartere og ikke hårdere. En måde ingeniører opnå dette er ved at designe maskiner, der hjælper med at gøre arbejdet lettere og mere effektivt., Mere specifikt består hver maskine i dag af en eller flere af de seks kendte enkle maskiner — de grundlæggende komponenter i alle mekaniske maskiner. I denne lektion vil vi studere tre af disse nyttige enheder i detaljer: det skrånende plan, kilen og skruen. Selvom ingeniører bruger hver af disse tre enkle maskiner til forskellige formål, fungerer de alle på de samme mekaniske principper.
før vi går videre, har vi brug for en kort gennemgang af de væsentlige principper om enkle maskiner (hvilket vil vise sig særligt nyttigt, når vi studerer hver enkelt maskine)., Det vigtigste faktum er, at enkle maskiner aldrig ændrer mængden af udført arbejde, kun den måde, hvorpå arbejdet udføres. Lad os se på definitionen af arbejde, som er defineret til at være produktet af kraft og afstand, og skrevet matematisk som:
Da mængden af arbejde, der skal gøres ændrer ikke for en bestemt akkord, er denne værdi er konstant. Imidlertid kan både kraft og afstand faktisk ændres., Enkle maskiner udfører ofte arbejde forskelligt ved at anvende indgangskraften eller indsatsen over en større afstand for at gøre arbejdet lettere at udføre. Det vil sige, for at reducere mængden af kraft, der kræves for at udføre arbejdet, skal afstanden øges proportionalt. For eksempel, lad os sige Emma ingeniøren skal gøre 20 Joules værd at arbejde. Hun kan opnå dette på mange forskellige måder, hvoraf den ene er at udøve en kraft på 20 ne .ton over en afstand af 1 meter. En lettere metode kan dog indebære anvendelse af en simpel 2 Ne .ton kraft over en afstand på 10 meter., I begge tilfælde, Emma udfører den samme mængde arbejde; det er dog meget lettere for hende at opnå dette ved at anvende mindre kraft over en yderligere afstand. Figur 2 illustrerer, hvordan den samme mængde arbejde kan udføres på mange forskellige måder, selv om nogle måder er lettere — eller mere effektive — end andre. Dette er tilfældet, når du bruger en maskine.
skråplan
Det skrå plan (se Figur 3), er måske den ældste og mest rudimentære simpel maskine, der er kendt for ingeniører. Faktisk, mange af jer spekulerer sandsynligvis på, hvordan en skrå overflade muligvis kunne klassificeres som en “maskine.”Ikke desto mindre giver denne enhed ingeniører den ekstraordinære evne til let at løfte tunge genstande til en højere position.
Den centrale idé er, at en mindre indsats er nødvendig, hvis en belastning, der overføres via en lang rampe eller skrå sti, som modsætning til at løfte det direkte over en lodret sti. For eksempel har du måske bemærket, hvordan bevægere flytter meget tunge genstande, såsom et klaver, ind i bagsiden af deres bevægelige lastbil. Det er klart, at de ikke let kan løfte et så tungt møbel direkte op og ind på bagsiden af deres lastbil., I stedet bruger de en lang rampe — eller skråplan — for at fuldføre jobbet. Denne ID.blev brugt for længe siden af de gamle egyptere: de brugte det skrånende plan og den menneskelige styrke til at opføre monumentale strukturer til fantastiske højder. Selv i dag anvender ingeniører det skrånende plan i mange andre applikationer for at udføre tilsyneladende umulige opgaver. Bare et par af disse eksempler inkluderer kørestolsramper, rulletrapper, trapper, motorveje og endda vandrestier, som alle er afhængige af det skrånende plan som et middel til lettere at hæve tunge genstande.,
kile
ud over at løfte tunge genstande er ingeniører også interesserede i at opdele eller adskille materiale med så lidt indsats som muligt. I dette tilfælde anvender ingeniører brugen af en kil, så opgaver som at hugge brænde, skære papir og klippe vores værfter gøres meget lettere. Kilen, som illustreret i figur 4, er en simpel maskine ofte anses for at være en lille variation af det skrå plan, da det virkelig består af to skrå planer sat tilbage til tilbage. Som et resultat er den ene ende tykkere end den anden, så der dannes en skarp skærekant.,
selvom det er rigtigt, at kilen fysisk ligner det skrånende plan, bruger ingeniører denne maskine til lidt forskellige formål. Det skrånende plan fungerer til at transportere tunge genstande over en stationær overflade, mens kilen selv kan bevæge sig for at bevæge sig eller løfte genstande., Derfor er kilen i det væsentlige et skråt plan i bevægelse. Når en kile bevæges, omdannes en fremadrettet kraft til den udadgående eller afskæringskraft, der bruges til at adskille eller opdele materiale.
selvom kilen også kan bruges til at løfte eller flytte genstande i kort afstand, har den gennem historien primært været brugt som en værdifuld skæreindretning. En økse er et klassisk eksempel på, hvordan en kile bruges til at gøre arbejdet lettere. Kan du forestille dig, hvor svært det ville være at skære ned et træ eller hugge træ uden en økse?, Selv den stærkeste af mænd trækker på et stykke træ i modsatte retninger kunne ikke fuldføre opgaven. Endnu, generelt en heftig sving med en økse vil udføre bragden med lidt indsats.
ud over øksen drager andre velkendte værktøjer såsom en kniv, skovl, plov og saks alle fordel af kilen for let at adskille bundet materiale. Kan du tænke på andre enheder, hvor kilen er på arbejde? Nogle gange er det vanskeligt at identificere kilen i de forskellige tekniske design i dag på grund af de mange forskellige optrædener, det kan have., Det er imidlertid interessant, når vi er klar over, hvor kilen også findes på så mange ukendte steder, såsom skroget på et skib, flyvinger og endda vores fortænder!
skrue
mens alle seks enkle maskiner har deres egne forskellige kvaliteter, er det kun skruen, der er i stand til at konvertere en rotationskraft til en gunstig lineær kraft. Denne egenskab er ønskelig i mange tekniske applikationer, hvor rotationsbevægelse er den eneste kilde til indsats til rådighed for at udføre arbejde, som en jetmotor., I lighed med kilen er skruen (se figur 5) også tæt knyttet til det skrånende plan, da det faktisk er sammensat af et skråt plan viklet omkring en cylinder. De spiralformede kanter omkring den cylindriske overflade, der almindeligvis betegnes som skruegevindene, giver skruen sin evne til at udføre arbejde.
Siden ingeniører kan anvende denne maskine til to forskellige uafhængige applikationer, skruen har to generelle klassifikationer: låseskrue og løfte skruen. I modsætning til kilen, der er designet med evnen til at skære og adskille materiale, bruges fastgørelsesskruen til at fastgøre og forbinde to stykker materiale sammen. Denne type skrue har normalt skarpe tråde, der skæres i de dele, der er sammenføjet. Materialerne bliver til sidst presset og holdt sammen mellem skruens hoved og dets gevind., Friktion fra de ru tråde, på den anden side, holder skruen fra at arbejde løs over tid.
løfteskruen er den anden type skrue, der primært er designet til at løfte eller flytte masse i en retning parallelt med skruens akse. Da løfteskruen skal rotere mange gange for at fremme belastningen en kort afstand, gøres arbejdet lettere med hjælp. Selvom det kan være svært at visualisere, er et godt eksempel på løfteskruen en almindelig propel, der findes på et lille fly eller en båd., Når propellen drejes af en rotationskraft leveret af motoren, skabes en lineær kraft langs dens rotationsakse for at frembringe tryk. Luftfartsingeniører har også fundet, at dette værktøj også er usædvanligt gavnligt for helikopterrotorer og jetmotorer.
ud over propellen er en vindeltrappe, møtrik og bolt, træskrue, snegl, bor, snekkegear og vindmølle også gode eksempler på, hvordan skruen anvendes i mange nyttige tekniske systemer i dag.