Inleiding / motivatie
wie van jullie vindt het echt leuk om zware voorwerpen te tillen of te verplaatsen? Zo ‘ n inspannend werk verbruikt onze energie, waardoor we ons vaak erg moe en moe voelen en, soms, gewond raken als we voorwerpen verkeerd optillen of verplaatsen. Dit ongelukkige resultaat is precies de reden waarom ingenieurs voortdurend nadenken over manieren waarop we gemakkelijker kunnen werken-zodat we slimmer en niet harder kunnen werken. Een manier waarop ingenieurs dit bereiken is door machines te ontwerpen die het werk gemakkelijker en efficiënter maken., Meer specifiek, elke machine vandaag bestaat uit een of meer van de zes bekende eenvoudige machines — de fundamentele componenten van alle mechanische machines. In deze les zullen we drie van deze nuttige apparaten in detail bestuderen: het hellende vlak, de wig en de schroef. Hoewel ingenieurs elk van deze drie eenvoudige machines voor verschillende doeleinden gebruiken, werken ze allemaal volgens dezelfde mechanische principes.
voordat we verder gaan, hebben we een kort overzicht nodig van de essentiële principes over eenvoudige machines (die vooral nuttig zullen blijken bij het bestuderen van elke individuele machine)., Het belangrijkste feit is dat eenvoudige machines nooit veranderen de hoeveelheid werk gedaan, alleen de manier waarop het werk wordt gedaan. Laten we eens kijken naar de definitie van werk, dat is gedefinieerd als het product van kracht en afstand en wiskundig geschreven als:
aangezien de hoeveelheid werk die moet worden gedaan niet verandert voor een bepaald karwei, blijft deze waarde constant. Echter, zowel kracht als Afstand kunnen in feite worden gewijzigd., Eenvoudige machines werken vaak anders door de invoerkracht of inspanning over een grotere afstand toe te passen om het werk gemakkelijker uit te voeren. Dat wil zeggen, om de hoeveelheid kracht te verminderen die nodig is om het werk te doen, moet de afstand proportioneel worden vergroot. Bijvoorbeeld, laten we zeggen Emma de ingenieur moet doen 20 Joule waarde van het werk. Ze kan dit op veel verschillende manieren bereiken, waaronder het uitoefenen van een kracht van 20 Newton over een afstand van 1 meter. Echter, een gemakkelijkere methode kan de toepassing van slechts 2 Newton kracht over een afstand van 10 meter., In beide gevallen, Emma doet dezelfde hoeveelheid werk, maar het is veel gemakkelijker voor haar om dit te bereiken door het toepassen van minder kracht over een verdere afstand. Figuur 2 illustreert hoe dezelfde hoeveelheid werk op veel verschillende manieren kan worden uitgevoerd, hoewel sommige manieren gemakkelijker — of efficiënter — zijn dan andere. Dit is het geval bij het gebruik van een machine.
hellend vlak
het hellend vlak (zie Figuur 3) is misschien wel de oudste en meest rudimentaire eenvoudige machine die bij ingenieurs bekend is. In feite, velen van jullie vragen zich waarschijnlijk af hoe een schuin oppervlak zou kunnen worden geclassificeerd als een “machine.”Toch geeft dit apparaat ingenieurs de buitengewone mogelijkheid om zware voorwerpen gemakkelijk naar een hogere positie te tillen.
het belangrijkste idee hier is dat minder inspanning nodig is als een belasting over een lange helling of hellend pad wordt overgebracht, in tegenstelling tot het direct over een verticaal pad tillen. Bijvoorbeeld, je hebt misschien gemerkt hoe verhuizers verplaatsen zeer zware objecten, zoals een piano, in de achterkant van hun bewegende vrachtwagen. Het is duidelijk dat ze zo ‘ n zwaar meubelstuk niet gemakkelijk direct op en in de achterkant van hun truck kunnen tillen., In plaats daarvan gebruiken ze een lange helling — of hellend vlak — om de klus te klaren. Dit idee werd lang geleden gebruikt door de oude Egyptenaren: ze gebruikten het hellende vlak en de menselijke kracht om monumentale structuren tot verbazingwekkende hoogten op te richten. Zelfs vandaag de dag gebruiken ingenieurs het hellende vlak in vele andere toepassingen om schijnbaar onmogelijke taken te volbrengen. Slechts een paar van deze voorbeelden zijn rolstoelhellingen, roltrappen, trappen, snelwegen en zelfs wandelpaden, die allemaal afhankelijk zijn van het hellende vlak als een middel om zware voorwerpen gemakkelijker op te tillen.,
wig
naast het tillen van zware objecten zijn ingenieurs ook geïnteresseerd in het splitsen of scheiden van materiaal met zo weinig mogelijk inspanning. In dit geval maken ingenieurs gebruik van een wig zodat taken zoals het hakken van brandhout, het snijden van papier en het maaien van onze werven veel gemakkelijker worden gemaakt. De wig, zoals geïllustreerd in Figuur 4, is een eenvoudige machine vaak beschouwd als een lichte variatie van het hellende vlak, omdat het echt bestaat uit twee hellende vlakken terug naar terug. Hierdoor is het ene uiteinde dikker dan het andere zodat een scherpe snijkant wordt gevormd.,
hoewel het waar is dat de wig fysiek sterk lijkt op het hellende vlak, gebruiken ingenieurs deze machine voor iets andere doeleinden. Het hellende vlak zorgt voor het transport van zware voorwerpen over een stationaire ondergrond, terwijl de wig zelf kan bewegen om objecten te verplaatsen of op te tillen., Daarom is de wig in wezen een hellend vlak in beweging. Wanneer een wig wordt verplaatst, wordt een voorwaartse kracht omgezet in de uitwendige of scheidingskracht die wordt gebruikt om materiaal te scheiden of te splitsen.
hoewel de wig ook kan worden gebruikt om objecten op korte afstand te tillen of te verplaatsen, is hij door de geschiedenis heen voornamelijk gebruikt als een waardevol snijapparaat. Een bijl is een klassiek voorbeeld van hoe een wig wordt gebruikt om het werk gemakkelijker te maken. Kun je je voorstellen hoe moeilijk het zou zijn om een boom om te hakken of hout te hakken zonder bijl?, Zelfs de sterkste van de mannen trekken aan een stuk hout in tegenovergestelde richtingen kon niet voltooien het karwei. Toch zal over het algemeen een flinke swing van een bijl de prestatie met weinig moeite volbrengen.
naast de bijl maken ook andere bekende gereedschappen zoals een mes, schop, ploeg en schaar gebruik van de wig om het gebonden materiaal gemakkelijk te scheiden. Kun je andere apparaten bedenken waar de wig aan het werk is? Soms is het moeilijk om de wig in de verschillende technische ontwerpen vandaag te identificeren vanwege de vele verschillende verschijningen die het kan hebben., Het is interessant, echter, wanneer we beseffen waar de wig kan worden gevonden in zo veel onbekende plaatsen ook, zoals de romp van een schip, vliegtuig vleugels, en zelfs onze voortanden!
schroef
hoewel alle zes eenvoudige machines hun eigen kwaliteiten hebben, is alleen de schroef in staat om een rotatiekracht om te zetten in een gunstige lineaire kracht. Dit kenmerk is wenselijk in veel technische toepassingen waar rotatiebeweging is de enige bron van inspanning beschikbaar om werk uit te voeren, zoals een straalmotor., Net als bij de wig is de schroef (zie Figuur 5) ook nauw verwant aan het hellende vlak omdat het eigenlijk bestaat uit een hellend vlak dat om een cilinder is gewikkeld. De spiraalvormige randen rond het cilindrische oppervlak, meestal aangeduid als de schroefdraden, geven de schroef zijn vermogen om werk te doen.
aangezien ingenieurs deze machine kunnen toepassen op twee verschillende niet-verwante toepassingen, heeft de schroef twee algemene classificaties: de bevestigingsschroef en de hefschroef. In tegenstelling tot de wig, die is ontworpen met de mogelijkheid om te snijden en materiaal te scheiden, wordt de bevestigingsschroef gebruikt om twee stukken materiaal vast te maken en samen te voegen. Dit type schroef heeft meestal scherpe draden die in de delen worden samengevoegd snijden. De materialen uiteindelijk worden geperst en bij elkaar gehouden tussen de kop van de schroef en de draden., Wrijving van de ruwe draden, anderzijds, houdt de schroef van het werken los in de tijd.
De hefschroef is het andere type schroef, voornamelijk ontworpen voor het heffen of verplaatsen van massa in een richting die evenwijdig is aan de as van de schroef. Aangezien de hefschroef vele malen moet draaien om de lading een korte afstand vooruit te brengen, wordt het werk gemakkelijker gemaakt met zijn hulp. Hoewel het moeilijk te visualiseren kan zijn, een geweldig voorbeeld van de hefschroef is een gemeenschappelijke propeller gevonden op een klein vliegtuig of boot., Wanneer de propeller wordt gedraaid door een rotatiekracht die door de motor wordt geleverd, wordt langs de rotatieas een lineaire kracht gecreëerd om stuwkracht te produceren. Luchtvaartingenieurs hebben ook gevonden dat deze tool uitzonderlijk gunstig is voor helikopterrotoren en straalmotoren ook.
naast de schroef zijn een wenteltrap, moer en bout, houtschroef, vijzel, boor, wormwiel en Windmolen ook goede voorbeelden van hoe de schroef wordt toegepast in vele nuttige technische systemen vandaag.