Introduction/Motivation
Qual de vocês estudantes realmente gosta de levantar ou mover objetos pesados? Este trabalho extenuante consome a nossa energia, muitas vezes deixando-nos muito cansados e cansados e, às vezes, feridos se levantarmos ou movermos objectos indevidamente. Este infeliz resultado é precisamente a razão pela qual os engenheiros estão continuamente a pensar em formas de trabalhar mais fácil — para que possamos trabalhar mais inteligentes e não mais difíceis. Uma maneira de os engenheiros realizarem isso é projetando máquinas que ajudam a tornar o trabalho mais fácil e eficiente., Mais especificamente, cada máquina de hoje é composta por uma ou mais das seis máquinas simples conhecidas — os componentes fundamentais de todas as máquinas mecânicas. Nesta lição, estudaremos em detalhe três destes dispositivos úteis: o plano inclinado, a cunha e o parafuso. Embora os engenheiros utilizem cada uma destas três máquinas simples para fins diferentes, todas elas operam com os mesmos princípios mecânicos.antes de irmos mais longe, precisamos de uma breve revisão dos princípios essenciais sobre máquinas simples (que serão especialmente úteis ao estudar cada máquina individual)., O fato mais importante é que as máquinas simples nunca mudam a quantidade de trabalho feito, apenas a forma como o trabalho é feito. Vejamos a definição de trabalho, que é definido como sendo o produto da força e a distância e escrito matematicamente como:
uma vez que a quantidade de trabalho a ser feito não muda para uma determinada tarefa, este valor permanece constante. No entanto, tanto a força como a distância podem de facto ser alteradas., Máquinas simples muitas vezes realizar o trabalho de forma diferente, aplicando a força de entrada, ou esforço, em uma maior distância, a fim de tornar o trabalho mais fácil de realizar. Ou seja, a fim de reduzir a quantidade de força necessária para fazer o trabalho, a distância deve ser proporcionalmente aumentada. Por exemplo, digamos que Emma, a engenheira, precisa de fazer 20 Joules de trabalho. Ela pode conseguir isso de muitas maneiras diferentes, uma das quais é exercer uma força de 20 Newtons a uma distância de 1 metro. No entanto, um método mais fácil pode envolver a aplicação de uma mera força de 2 Newton a uma distância de 10 metros., Em ambos os casos, Emma faz a mesma quantidade de trabalho, no entanto, é muito mais fácil para ela realizar isso, aplicando menos força sobre uma distância adicional. A figura 2 ilustra como a mesma quantidade de trabalho pode ser realizada de muitas maneiras diferentes, embora algumas maneiras sejam mais fáceis — ou mais eficientes — do que outras. Este é o caso quando se usa uma máquina.
Plano Inclinado
O plano inclinado (ver Figura 3) é talvez o mais antigo e mais rudimentar máquina simples conhecidos para engenheiros. Na verdade, muitos de vocês provavelmente estão se perguntando como uma superfície inclinada poderia ser classificada como uma “máquina”.”No entanto, este dispositivo dá aos engenheiros a extraordinária capacidade de levantar objetos pesados para uma posição mais elevada com facilidade.
a ideia chave aqui é que é necessário menos esforço se uma carga é transferida sobre uma rampa longa ou um caminho inclinado, em oposição a levantá-la directamente sobre um caminho vertical. Por exemplo, você pode ter notado como os movedores movem objetos muito pesados, como um piano, para a parte de trás de seu caminhão em movimento. Obviamente, eles não podem facilmente levantar uma peça de mobiliário tão pesada diretamente para cima e para a parte de trás de seu caminhão., Em vez disso, usam uma rampa longa — ou plano inclinado-para completar o trabalho. Esta ideia foi usada há muito tempo pelos antigos egípcios: eles usaram o plano inclinado e a força humana para erigir estruturas monumentais a alturas incríveis. Ainda hoje, os engenheiros empregam o plano inclinado em muitas outras aplicações, a fim de realizar tarefas aparentemente impossíveis. Apenas alguns desses exemplos incluem rampas para cadeiras de rodas, escadas rolantes, escadas, rodovias e até trilhas de caminhadas, que todos dependem do plano inclinado como um meio de levantar objetos pesados mais facilmente.,além de levantar objetos pesados, os engenheiros também estão interessados em dividir ou separar material com o menor esforço possível. Neste caso, os engenheiros empregam o uso de uma cunha para que Tarefas como cortar lenha, cortar papel e cortar os nossos estaleiros sejam muito mais fáceis. A cunha, como ilustrada na Figura 4, é uma máquina simples muitas vezes considerada como uma ligeira variação do plano inclinado, uma vez que consiste realmente em dois planos inclinados de volta para trás. Como resultado, uma extremidade é mais espessa do que a outra, de modo que uma ponta afiada é formada.,
embora seja verdade que a cunha é muito semelhante ao plano inclinado fisicamente, os engenheiros usam esta máquina para finalidades ligeiramente diferentes. O plano inclinado funciona para transportar objetos pesados sobre uma superfície estacionária, enquanto a própria cunha pode mover-se a fim de mover ou levantar objetos., Portanto, a cunha é essencialmente um plano inclinado em movimento. Quando uma cunha é movida, uma força para a frente é convertida na força de saída ou separação usada para separar ou dividir o material.
mesmo que a cunha também possa ser usada para levantar ou mover objetos a uma curta distância, ao longo da história tem sido utilizada principalmente como um dispositivo de corte valioso. Um machado é um exemplo clássico de como uma cunha é usada para tornar o trabalho mais fácil. Consegues imaginar como seria difícil cortar uma árvore ou cortar madeira sem um machado?, Mesmo o mais forte dos homens puxando um pedaço de madeira em direções opostas não poderia completar a tarefa. No entanto, geralmente um forte golpe de um machado irá realizar o feito com pouco esforço.para além do machado, Outras ferramentas familiares, tais como uma faca, pá, arado e tesouras, aproveitam-se da Cunha para separar facilmente o material ligado. Consegue pensar noutros dispositivos onde a cunha está a funcionar? Às vezes é difícil identificar a cunha nos vários projetos de engenharia hoje por causa das muitas aparências diferentes que pode ter., É interessante, no entanto, quando percebemos onde a cunha pode ser encontrada em tantos lugares desconhecidos, como o casco de um navio, asas de avião, e até mesmo os nossos dentes da frente!
Parafuso
enquanto todas as seis máquinas simples têm suas próprias qualidades distintas, apenas o parafuso é capaz de converter uma força rotacional em uma força linear favorável. Esta característica é desejável em muitas aplicações de engenharia onde o movimento rotacional é a única fonte de esforço disponível para realizar trabalho, como um motor a jato., Semelhante à cunha, o parafuso (ver Figura 5) também está intimamente relacionado com o plano inclinado, uma vez que é realmente composto por um plano inclinado enrolado em torno de um cilindro. As bordas em espiral em torno da superfície cilíndrica, comumente referido como as roscas de parafuso, dão ao parafuso a sua capacidade de trabalhar.
Desde que os engenheiros podem aplicar esta máquina para dois diferentes aplicativos não relacionados, o parafuso tem duas classificações gerais: o parafuso de fixação e o parafuso de elevação. Em contraste com a cunha, que é projetada com a capacidade de cortar e separar o material, o parafuso de fixação é usado para apertar e unir dois pedaços de material. Este tipo de parafuso geralmente tem fios afiados que cortam nas partes que estão sendo unidas. Os materiais eventualmente se tornam apertados e mantidos juntos entre a cabeça do parafuso e seus fios., A fricção das roscas, por outro lado, impede o parafuso de trabalhar solto ao longo do tempo.o parafuso de elevação é o outro tipo de parafuso, concebido principalmente para elevar ou mover a massa numa direcção paralela ao eixo do parafuso. Uma vez que o parafuso de elevação deve rodar muitas vezes, a fim de fazer avançar a carga a uma curta distância, o trabalho é facilitado com a sua ajuda. Embora possa ser difícil de visualizar, um grande exemplo do parafuso de elevação é uma hélice comum encontrada em um pequeno avião ou barco., Quando a hélice é girada por uma força de rotação fornecida pelo motor, uma força linear é criada ao longo de seu eixo de rotação para produzir impulso. Os engenheiros aeronáuticos também consideraram esta ferramenta excepcionalmente benéfica para rotores de helicópteros e motores a jato também.
além da hélice, uma escada em espiral, porca e parafuso, saca de madeira, auger, Broca bit, Engrenagem de minhoca e moinho de vento também são bons exemplos de como o parafuso é aplicado em muitos sistemas de engenharia úteis hoje.