Johdanto/Motivaatio
Josta oppilaat todella nauttia nosto tai siirtämään raskaita esineitä? Tällainen raskas työ kuluttaa energiaa, usein jättää meidät tunne hyvin väsynyt ja väsynyt ja, joskus, loukkaantua, jos me nosta tai siirrä esineitä väärin. Tämä valitettava tulos on juuri se, miksi insinöörit jatkuvasti ajattelevat tapoja, joilla voimme tehdä työtä helpommin — jotta voimme työskennellä fiksummin eikä kovemmin. Yksi tapa insinöörit saavuttaa tämä on suunnittelemalla koneita, jotka auttavat tekemään työstä helpompaa ja tehokkaampaa., Tarkemmin, jokainen kone tänään koostuu yhden tai useamman kuudesta tiedossa yksinkertaisia koneita — olennainen osa kaikkia mekaanisia koneita. Tässä oppitunnissa tutkimme yksityiskohtaisesti kolmea näistä hyödyllisistä laitteista: kalteva taso, kiila ja ruuvi. Vaikka insinöörit käyttävät kutakin näistä kolmesta yksinkertaisesta koneesta eri tarkoituksiin, ne kaikki toimivat samoilla mekaanisilla periaatteilla.
ennen kuin menemme pidemmälle, tarvitsemme lyhyen katsauksen yksinkertaisia koneita koskevista keskeisistä periaatteista (jotka osoittautuvat erityisen hyödyllisiksi kutakin yksittäistä konetta tutkittaessa)., Tärkein tosiasia on, että yksinkertaiset koneet eivät koskaan muuta tehdyn työn määrää, vain tapaa, jolla työ tehdään. Katsotaanpa määritelmä työtä, joka on määritelty olevan tuotteen voiman ja etäisyyden ja kirjoitettu matemaattisesti seuraavasti:
Koska määrä työtä ei muutos tietyn urakka, tämä arvo pysyy vakiona. Sekä voimaa että etäisyyttä voidaan kuitenkin itse asiassa muuttaa., Yksinkertaisia koneita usein suorittaa toimia eri tavalla soveltamalla input voima, tai vaivaa, yli kauempaa, jotta työtä on helpompi toteuttaa. Että on, jotta voidaan vähentää tarvittava voima tehdä työtä, etäisyys on suhteellisesti lisääntynyt. Sanotaan esimerkiksi, että Emman insinöörin pitää tehdä 20 joulea työtä. Hän voi saavuttaa tämän monella eri tavalla, joista yksi on käyttää 20 Newtonin voimaa 1 metrin etäisyydeltä. Helpompaan menetelmään voi kuitenkin sisältyä pelkkä 2 Newtonin voima 10 metrin etäisyydeltä., Kummassakin tapauksessa Emma tekee saman määrän työtä;hänen on kuitenkin paljon helpompi saavuttaa tämä soveltamalla vähemmän voimaa kauempana. Kuva 2 havainnollistaa, miten sama työmäärä voidaan toteuttaa monella eri tavalla, vaikka jotkut tavat ovat helpompia — tai tehokkaampia — kuin toiset. Näin on, kun käytetään konetta.
Kalteva taso,
kalteva taso (ks. Kuva 3) on ehkä vanhin ja kaikkein alkeellisimpia yksinkertainen kone tiedossa insinöörejä. Itse asiassa monet teistä luultavasti ihmettelevät, miten vinoa pintaa voitaisiin mahdollisesti luokitella ” koneeksi.”Kuitenkin tämä laite antaa insinööreille poikkeuksellisen kyvyn nostaa raskaita esineitä korkeampaan asentoon helposti.
keskeinen ajatus on, että vähemmän vaivaa tarvitaan, jos kuorma on siirretyt yli pitkä ramppi tai kalteva polku, toisin kuin nostamalla se suoraan yli pystysuora polku. Olet esimerkiksi saattanut huomata, miten muuttomiehet siirtävät hyvin raskaita esineitä, kuten pianoa, liikkuvan kuorma-autonsa takaosaan. On selvää, että he eivät voi helposti nostaa näin painavaa huonekalua suoraan kuorma-autonsa takaosaan., Sen sijaan he käyttävät pitkää luiskaa — tai kallistettua tasoa — saadakseen tehtävän valmiiksi. Muinaiset egyptiläiset käyttivät tätä ajatusta kauan sitten: he käyttivät kaltevaa tasoa ja inhimillistä voimaa pystyttääkseen monumentaalisia rakenteita hämmästyttäviin korkeuksiin. Nykyäänkin insinöörit käyttävät kallistettua konetta monissa muissa sovelluksissa suorittaakseen näennäisesti mahdottomia tehtäviä. Vain muutama näistä esimerkkejä ovat pyörätuolin luiskat, liukuportaat, portaat, valtatiet ja jopa vaellusreittejä, jotka kaikki luottavat kalteva taso keinona nostaa raskaita esineitä helpommin.,
Wedge
raskaiden esineiden nostamisen lisäksi insinöörejä kiinnostaa myös materiaalin jakaminen tai erottaminen mahdollisimman vähällä vaivalla. Tällöin insinöörit käyttävät kiilaa niin, että esimerkiksi polttopuiden pilkkominen, paperin leikkaaminen ja pihojemme niittäminen helpottuvat huomattavasti. Kiila, kuten Kuvassa 4, on yksinkertainen kone, sitä pidetään usein hieman vaihtelua kalteva taso, koska se todella koostuu kahdesta kaltevaa tasoa aseta takaisin takaisin. Tämän seurauksena toinen pää on paksumpi kuin toinen niin, että terävä etureuna muodostuu.,
Vaikka se on totta, että kiila on hyvin samanlainen kuin kalteva taso fyysisesti, insinöörit käytä konetta hieman eri tarkoituksiin. Kalteva taso toimii kuljettamaan raskaita esineitä paikallaan olevan pinnan yli, kun taas kiila itse voi liikkua liikkuakseen tai nostaakseen esineitä., Sen vuoksi kiila on pohjimmiltaan liikkeessä oleva kalteva taso. Kun kiila on siirretty eteenpäin voima muunnetaan ulospäin tai jakaus voima käytetään erillinen tai jaettu materiaali.
vaikka kiila voidaan käyttää myös nostaa tai siirtää esineitä lyhyen matkan, läpi historian se on ollut ensisijaisesti hyödyntää arvokasta leikkuulaite. Kirves on klassinen esimerkki siitä, miten kiilaa käytetään helpottamaan työntekoa. Voitko kuvitella, miten vaikeaa olisi kaataa puu tai hakata puuta ilman kirvestä?, Jopa vahvin miesten vetämällä pala puuta vastakkaisiin suuntiin voinut suorittaa urakka. Yleensä kuitenkin yksi kirveellä lyöty mojova lyönti tekee uroteon vähällä vaivalla.
lisäksi kirves, muita tuttuja työkaluja, kuten veitsi, lapio, aura ja sakset kaikki hyödyntää kiila, jotta helposti erottaa sidottu materiaali. Keksitkö muita laitteita, joissa kiila on töissä? Joskus on vaikea tunnistaa kiilan eri suunnittelukonstruktioita tänään, koska monia eri esiintymisiä se voi olla., On kuitenkin mielenkiintoista, kun ymmärrämme, mistä kiila löytyy yhtä monista tuntemattomista paikoista, kuten laivan rungosta, lentokoneen siivistä ja jopa etuhampaistamme!
Ruuvi,
Vaikka kaikki kuusi yksinkertaisia koneita on omat erilliset ominaisuuksia, vain ruuvi on voitava muuntaa pyörivän voiman osaksi suotuisa lineaarinen voima. Tämä ominaisuus on toivottavaa monissa tekniikan sovelluksissa, joissa kiertoliike on ainoa lähde vaivaa käytettävissä suorittamaan työn, kuin suihkumoottori., Samanlainen kiila, ruuvi (ks. Kuva 5) on myös läheisesti kalteva taso, koska se on oikeastaan koostuu kalteva taso kiedottu sylinteri. Kierteiset reunat lieriömäisen pinnan ympärillä, joita kutsutaan yleisesti ruuvikierteiksi, antavat ruuville sen kyvyn tehdä työtä.
Koska insinöörit voivat hakea tämän koneen kaksi eri etuyhteydettömille sovelluksia, ruuvi on kaksi yleistä luokitukset: kiinnitys ruuvi ja nostamalla ruuvi. Toisin kuin kiila, joka on suunniteltu kyky leikata ja erillinen materiaali, kiinnitys ruuvi käytetään kiinnitä ja liittyä kaksi kappaletta materiaalin yhdessä. Tämäntyyppisessä ruuvissa on yleensä teräviä kierteitä, jotka leikkaavat toisiinsa yhdistettäviin osiin. Materiaalit lopulta puristuvat ja pitävät koossa ruuvin pään ja sen kierteiden välissä., Kitka karkea kierteet, toisaalta, estää ruuvin toimimasta löysä ajan.
nosto ruuvi on toinen tyyppi ruuvi, joka on suunniteltu ensisijaisesti nosto tai liukuva massa suuntainen akseli ruuvi. Koska nostoruuvin on pyörittävä monta kertaa, jotta kuormaa voidaan siirtää lyhyen matkan päähän, työtä helpotetaan sen avulla. Vaikka sitä voi olla vaikea hahmottaa, suuri esimerkki nostoruuvista on pienkoneesta tai veneestä löytynyt tavallinen potkuri., Kun potkuria pyöritetään Moottorin tuottamalla pyörimisvoimalla, sen pyörimisakselia pitkin syntyy lineaarinen voima työntövoiman tuottamiseksi. Ilmailuinsinöörit ovat myös havainneet tämän työkalun olevan poikkeuksellisen hyödyllinen myös helikopterirotoreille ja suihkumoottoreille.
lisäksi potkuri, kierreportaat, mutteri ja pultti, woodscrew, kaira, poranterä, mato vaihde, ja tuulimylly ovat myös hyviä esimerkkejä siitä, miten ruuvi on sovellettu monia hyödyllisiä teknisten järjestelmien tänään.