Introduzione / Motivazione
Chi di voi studenti gode veramente di sollevare o spostare oggetti pesanti? Tale lavoro faticoso consuma la nostra energia, spesso lasciandoci molto stanchi e stanchi e, a volte, feriti se solleviamo o spostiamo oggetti in modo improprio. Questo sfortunato risultato è proprio il motivo per cui gli ingegneri stanno continuamente pensando a modi in cui possiamo lavorare più facilmente, in modo da poter lavorare in modo più intelligente e non più difficile. Un modo ingegneri realizzare questo è progettando macchine che aiutano a rendere il lavoro più facile e più efficiente., Più specificamente, ogni macchina oggi è composta da una o più delle sei macchine semplici conosciute — i componenti fondamentali di tutte le macchine meccaniche. In questa lezione, studieremo tre di questi utili dispositivi in dettaglio: il piano inclinato, il cuneo e la vite. Sebbene gli ingegneri utilizzino ciascuna di queste tre semplici macchine per scopi diversi, tutte operano sugli stessi principi meccanici.
Prima di andare oltre, abbiamo bisogno di una breve revisione dei principi essenziali sulle macchine semplici (che si rivelerà particolarmente utile quando si studia ogni singola macchina)., Il fatto più importante è che le macchine semplici non cambiano mai la quantità di lavoro svolto, solo il modo in cui viene svolto il lavoro. Vediamo la definizione di lavoro, che è definito come il prodotto di una forza per la distanza e scritto matematicamente come:
Dal momento che la quantità di lavoro da fare non cambia per un particolare lavoro di routine, questo valore rimane costante. Tuttavia, sia la forza che la distanza possono essere modificate., Macchine semplici spesso realizzare il lavoro in modo diverso applicando la forza di ingresso, o sforzo, su una distanza maggiore al fine di rendere il lavoro più facile da eseguire. Cioè, al fine di ridurre la quantità di forza necessaria per eseguire il lavoro, la distanza deve essere aumentata proporzionalmente. Per esempio, diciamo Emma l’ingegnere ha bisogno di fare 20 Joule vale la pena di lavoro. Può farlo in molti modi diversi, uno dei quali è quello di esercitare una forza di 20 Newton su una distanza di 1 metro. Tuttavia, un metodo più semplice può comportare l’applicazione di una semplice forza di 2 Newton su una distanza di 10 metri., In entrambi i casi, Emma fa la stessa quantità di lavoro; però, è molto più facile per lei per realizzare questo applicando meno forza su una distanza ulteriore. La figura 2 illustra come la stessa quantità di lavoro può essere realizzata in molti modi diversi, anche se alcuni modi sono più facili — o più efficienti — di altri. Questo è il caso quando si utilizza una macchina.
Piano inclinato
Il piano inclinato (vedi Figura 3) è forse la più antica e rudimentale macchina semplice conosciuta dagli ingegneri. Infatti, molti di voi sono probabilmente chiedendo come una superficie inclinata potrebbe essere classificato come una ” macchina.”Tuttavia, questo dispositivo offre agli ingegneri la straordinaria capacità di sollevare oggetti pesanti in una posizione più elevata con facilità.
L’idea chiave qui è che è necessario uno sforzo minore se un carico viene trasferito su una rampa lunga o un percorso inclinato, anziché sollevarlo direttamente su un percorso verticale. Ad esempio, potresti aver notato come i motori spostano oggetti molto pesanti, come un pianoforte, nella parte posteriore del loro camion in movimento. Ovviamente, non possono facilmente sollevare un mobile così pesante direttamente sul retro del loro camion., Invece, usano una rampa lunga-o piano inclinato-per completare il lavoro. Questa idea è stata usata molto tempo fa dagli antichi egizi: hanno usato il piano inclinato e la forza umana per erigere strutture monumentali ad altezze sorprendenti. Ancora oggi, gli ingegneri impiegano il piano inclinato in molte altre applicazioni al fine di svolgere compiti apparentemente impossibili. Solo alcuni di questi esempi includono rampe per sedie a rotelle, scale mobili, scale, autostrade e persino sentieri escursionistici, che si basano tutti sul piano inclinato come mezzo per sollevare oggetti pesanti più facilmente.,
Cuneo
Oltre a sollevare oggetti pesanti, gli ingegneri sono anche interessati a dividere o separare il materiale con il minor sforzo possibile. In questo caso gli ingegneri impiegano l’uso di un cuneo in modo che compiti come tagliare la legna da ardere, tagliare la carta e falciare i nostri cantieri siano resi molto più facili. Il cuneo, come illustrato nella Figura 4, è una semplice macchina spesso considerata una leggera variazione del piano inclinato poiché consiste in realtà di due piani inclinati arretrati. Di conseguenza, un’estremità è più spessa dell’altra in modo da formare un tagliente affilato.,
Mentre è vero che il cuneo è molto simile al piano inclinato fisicamente, gli ingegneri utilizzano questa macchina per scopi leggermente diversi. Il piano inclinato funziona per trasportare oggetti pesanti su una superficie stazionaria, mentre il cuneo stesso può muoversi per spostare o sollevare oggetti., Pertanto, il cuneo è essenzialmente un piano inclinato in movimento. Quando un cuneo viene spostato, una forza in avanti viene convertita nella forza verso l’esterno o di separazione utilizzata per separare o dividere il materiale.
Anche se il cuneo può essere utilizzato anche per sollevare o spostare oggetti a breve distanza, nel corso della storia è stato utilizzato principalmente come un prezioso dispositivo di taglio. Un’ascia è un classico esempio di come un cuneo viene utilizzato per rendere il lavoro più facile. Riesci a immaginare quanto sarebbe difficile abbattere un albero o tagliare la legna senza un’ascia?, Anche il più forte degli uomini che tirava su un pezzo di legno in direzioni opposte non poteva completare il lavoro di routine. Eppure, generalmente un pesante swing di un’ascia compirà l’impresa con poco sforzo.
Oltre all’ascia, altri strumenti familiari come coltello, pala, aratro e forbici sfruttano tutti il cuneo per separare facilmente il materiale legato. Riesci a pensare ad altri dispositivi in cui il cuneo è al lavoro? A volte è difficile identificare il cuneo nei vari progetti di ingegneria oggi a causa delle molte diverse apparenze che può avere., È interessante, tuttavia, quando ci rendiamo conto di dove il cuneo può essere trovato in altrettanti luoghi sconosciuti, come lo scafo di una nave, le ali dell’aeroplano e persino i nostri denti anteriori!
Vite
Mentre tutte e sei le macchine semplici hanno le loro qualità distinte, solo la vite è in grado di convertire una forza rotazionale in una forza lineare favorevole. Questa caratteristica è auspicabile in molte applicazioni ingegneristiche in cui il movimento rotatorio è l’unica fonte di sforzo disponibile per eseguire lavori, come un motore a reazione., Simile al cuneo, anche la vite (vedi Figura 5) è strettamente correlata al piano inclinato poiché in realtà è composta da un piano inclinato avvolto attorno a un cilindro. I bordi a spirale intorno alla superficie cilindrica, comunemente indicati come le filettature, danno alla vite la sua capacità di lavorare.
Poiché gli ingegneri possono applicare questa macchina a due diverse applicazioni non correlate, la vite ha due classificazioni generali: la vite di fissaggio e la vite di sollevamento. In contrasto con il cuneo, che è progettato con la capacità di tagliare e separare il materiale, la vite di fissaggio viene utilizzata per fissare e unire due pezzi di materiale insieme. Questo tipo di vite ha solitamente fili taglienti che tagliano le parti unite insieme. I materiali alla fine diventano schiacciati e tenuti insieme tra la testa della vite e le sue filettature., L’attrito dei fili ruvidi, d’altra parte, impedisce alla vite di lavorare allentata nel tempo.
La vite di sollevamento è l’altro tipo di vite, progettata principalmente per il sollevamento o lo spostamento della massa in una direzione parallela all’asse della vite. Poiché la vite di sollevamento deve ruotare molte volte per far avanzare il carico a breve distanza, il lavoro è reso più facile con il suo aiuto. Anche se può essere difficile da visualizzare, un grande esempio della vite di sollevamento è un’elica comune trovato su un piccolo aereo o barca., Quando l’elica viene filata da una forza di rotazione fornita dal motore, viene creata una forza lineare lungo il suo asse di rotazione per produrre spinta. Gli ingegneri aeronautici hanno anche trovato questo strumento per essere eccezionalmente vantaggioso per i rotori di elicotteri e motori a reazione pure.
Oltre all’elica, una scala a chiocciola, un dado e un bullone, una vite per legno, una coclea, una punta da trapano, un ingranaggio a vite senza fine e un mulino a vento sono anche buoni esempi di come la vite viene applicata oggi in molti utili sistemi di ingegneria.