Bevezetés / motiváció
melyik diák valóban élvezi a nehéz tárgyak emelését vagy mozgatását? Az ilyen megerőltető munka elfogyasztja az energiánkat, gyakran nagyon fáradtnak és fáradtnak érezzük magunkat, és néha megsérülünk, ha helytelenül emeljük vagy mozgatjuk a tárgyakat. Ez a szerencsétlen eredmény pontosan az, amiért a mérnökök folyamatosan azon gondolkodnak, hogy miként tudjuk könnyebben elvégezni a munkát — hogy okosabban és nem keményebben dolgozhassunk. Ennek egyik módja, hogy a mérnökök olyan gépeket tervezzenek, amelyek megkönnyítik és hatékonyabbá teszik a munkát., Pontosabban, minden gép ma áll egy vagy több a hat ismert egyszerű gépek-az alapvető összetevői az összes mechanikus gépek. Ebben a leckében három hasznos eszközt fogunk részletesen tanulmányozni: a ferde síkot, az éket és a csavart. Bár a mérnökök mindhárom egyszerű gépet különböző célokra használják, mindegyik ugyanazon mechanikai elveken működik.
mielőtt tovább mennénk, szükségünk van egy rövid áttekintésre az egyszerű gépekkel kapcsolatos alapvető elvekről (amelyek különösen hasznosak lesznek az egyes gépek tanulmányozásakor)., A legfontosabb tény az, hogy az egyszerű gépek soha nem változtatják meg az elvégzett munka mennyiségét, csak a munka módját. Nézzük a munka meghatározása, amely azt határozza meg, hogy a termék az erő s távolság, valamint írásbeli matematikailag, mint:
Mivel az összeg a munka nem változik egy adott házimunka, ez az érték állandó marad. Azonban mind az erő, mind a távolság valójában megváltoztatható., Az egyszerű gépek gyakran másképp hajtják végre a munkát a bemeneti erő vagy erőfeszítés nagyobb távolságra történő alkalmazásával annak érdekében, hogy megkönnyítsék a munkát. Vagyis a munka elvégzéséhez szükséges erő mennyiségének csökkentése érdekében a távolságot arányosan növelni kell. Tegyük fel például, hogy Emmának, a mérnöknek 20 Joule értékű munkát kell végeznie. Ezt sokféle módon tudja megvalósítani, amelyek közül az egyik az, hogy 20 Newton erőt fejtsen ki 1 méter távolságra. A könnyebb módszer azonban magában foglalhatja a mindössze 2 Newton erő alkalmazását 10 méter távolságra., Mindkét esetben, Emma ugyanazt a munkát végzi; azonban, sokkal könnyebb ezt elérni azáltal, hogy kevesebb erőt alkalmaz egy további távolságon. A 2. ábra szemlélteti, hogyan lehet ugyanazt a munkát sokféle módon elvégezni, bár bizonyos módok könnyebbek — vagy hatékonyabbak -, mint mások. Ez a helyzet a gép használatakor.
ferde sík
A ferde sík (lásd a 3.ábrát) talán a legrégebbi és legkezdetibb egyszerű gép, amelyet a mérnökök ismertek. Valójában sokan valószínűleg azon gondolkodnak, hogy egy ferde felületet hogyan lehet “gépnek” minősíteni.”Ennek ellenére ez az eszköz rendkívüli képességet ad a mérnököknek, hogy könnyedén felemeljék a nehéz tárgyakat magasabb pozícióba.
a legfontosabb ötlet az, hogy kevesebb erőfeszítésre van szükség, ha a terhelést hosszú rámpán vagy ferde úton továbbítják, szemben azzal, hogy közvetlenül egy függőleges úton emelik fel. Például lehet, hogy észrevette, hogy a mozgatók nagyon nehéz tárgyakat, például zongorát mozgatnak a mozgó teherautó hátuljába. Nyilvánvaló, hogy nem tudják könnyen felemelni egy ilyen nehéz bútordarabot közvetlenül a teherautó hátuljába., Ehelyett egy hosszú rámpát — vagy ferde síkot-használnak a munka befejezéséhez. Ezt az elképzelést már régen az ókori egyiptomiak használták: a ferde síkot és az emberi erőt használták fel, hogy monumentális struktúrákat csodálatos magasságokba állítsanak. A mérnökök még ma is sok más alkalmazásban alkalmazzák a ferde síkot a látszólag lehetetlen feladatok elvégzése érdekében. Csak néhány ilyen példa a kerekesszékes rámpák, mozgólépcsők, lépcsők, autópályák, sőt túraútvonalak, amelyek mindegyike a ferde síkra támaszkodik, mint a nehéz tárgyak könnyebb emelésének eszköze.,
Wedge
a nehéz tárgyak felemelése mellett a mérnökök a lehető legkevesebb erőfeszítéssel is érdekeltek az anyag felosztásában vagy elválasztásában. Ebben az esetben a mérnökök egy ék használatát alkalmazzák, hogy az olyan feladatok, mint a tűzifa aprítása, a papírvágás, valamint az udvarok kaszálása sokkal könnyebbé váljon. Az ék, amint azt a 4. Ábra egy egyszerű gépet gyakran kell tekinteni, egy enyhe változata, a ferde sík, mivel tényleg áll, két ferde síkok állítsa vissza vissza. Ennek eredményeképpen az egyik vég vastagabb, mint a másik, így éles vágóél alakul ki.,
bár igaz, hogy az ék fizikailag nagyon hasonlít a ferde síkhoz, a mérnökök ezt a gépet kissé eltérő célokra használják. A ferde sík úgy működik, hogy nehéz tárgyakat szállít egy álló felületen, míg maga az ék mozoghat a tárgyak mozgatása vagy felemelése érdekében., Ezért az ék lényegében egy mozgásban lévő ferde sík. Ék mozgatásakor az előremenő erőt az anyag elválasztására vagy felosztására használt külső vagy elválasztó erővé alakítják át.
annak ellenére, hogy az ék rövid távolságra is használható tárgyak felemelésére vagy mozgatására, a történelem során elsősorban értékes vágóeszközként használták. A fejsze egy klasszikus példa arra, hogyan használják az ékeket a munka megkönnyítésére. El tudod képzelni, milyen nehéz lenne levágni egy fát, vagy fejsze nélkül vágni a fát?, Még a legerősebb férfiak húz egy darab fa ellentétes irányban nem tudta befejezni a házimunkát. Még, általában egy fejsze egy izmos lengése kevés erőfeszítéssel fogja elérni a feat-ot.
a fejszén kívül más ismert eszközök, például kés, lapát, eke és olló is kihasználják az ék előnyeit, hogy könnyen elválaszthassák a kötött anyagot. Gondolhat más eszközökre, ahol az ék működik? Néha nehéz azonosítani az ék a különböző mérnöki tervek ma, mert a sok különböző megjelenések is van., Érdekes azonban, amikor rájövünk, hogy hol található az ék annyi ismeretlen helyen, mint például a hajó hajótestje, a repülőgép szárnyai, sőt az első fogaink is!
csavar
míg mind a hat egyszerű gépnek megvan a maga sajátos tulajdonsága, csak a csavar képes a forgási erőt kedvező lineáris erővé alakítani. Ez a jellemző sok olyan mérnöki alkalmazásban kívánatos, ahol a forgási mozgás az egyetlen rendelkezésre álló erőfeszítés forrása a munka elvégzéséhez, mint egy sugárhajtású motor., Az ékhez hasonlóan a csavar (lásd az 5.ábrát) is szorosan kapcsolódik a ferde síkhoz, mivel valójában egy henger köré tekert ferde síkból áll. A hengeres felület körüli spirális élek, amelyeket általában csavarmeneteknek neveznek, lehetővé teszik a csavar számára a munka elvégzését.
Mivel a mérnökök lehet alkalmazni, ez a gép két különböző, független alkalmazások, a csavart két általános osztályozás: a rögzítő csavart, majd az emelés csavart. Az ékkel ellentétben, amelyet úgy terveztek, hogy képes legyen vágni és elválasztani az anyagot,a rögzítőcsavart két darab anyag rögzítésére és összekapcsolására használják. Ez a fajta csavar általában éles szálakkal rendelkezik, amelyek az összekapcsolt részekre vágódnak. Az anyagok végül összepréselődnek a csavarfej és a menetek között., A durva szálakból származó súrlódás viszont megakadályozza, hogy a csavar az idő múlásával laza legyen.
az emelőcsavar a másik típusú csavar, amelyet elsősorban a csavar tengelyével párhuzamos irányban történő emelésre vagy mozgatásra terveztek. Mivel az emelőcsavarnak sokszor el kell forognia a terhelés rövid távolsága érdekében, a munka könnyebbé válik a segítségével. Bár nehéz lehet elképzelni, az emelőcsavar nagyszerű példája egy közös légcsavar, amelyet egy kis repülőgépen vagy hajón találnak., Amikor a propellert a motor által biztosított forgási erő forgatja, a forgástengely mentén lineáris erő jön létre a tolóerő előállításához. A légiforgalmi mérnökök azt is megállapították, hogy ez az eszköz rendkívül előnyös a helikopter rotorok és a sugárhajtóművek számára is.
a propeller mellett egy csigalépcső, egy csavar, csavar, csavar, csavar, fúrófej, féreg fogaskerék és Szélmalom is jó példa arra, hogy a csavart ma számos hasznos mérnöki rendszerben alkalmazzák.