wprowadzenie/motywacja
który z was naprawdę lubi podnosić lub przenosić ciężkie przedmioty? Taka ciężka praca zużywa naszą energię, często pozostawiając nas bardzo zmęczonych i zmęczonych, a czasami rannych, jeśli podnosimy lub przenosimy przedmioty niewłaściwie. Ten niefortunny wynik jest właśnie dlatego inżynierowie ciągle myślą o tym, jak możemy pracować łatwiej — abyśmy mogli pracować mądrzej, a nie ciężej. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego przez inżynierów jest projektowanie maszyn, które ułatwiają i usprawniają pracę., Mówiąc dokładniej, każda maszyna dzisiaj składa się z jednej lub więcej z sześciu znanych prostych maszyn — podstawowych elementów wszystkich maszyn mechanicznych. W tej lekcji szczegółowo przeanalizujemy trzy z tych przydatnych urządzeń: nachyloną płaszczyznę, klin i śrubę. Chociaż inżynierowie używają każdej z tych trzech prostych maszyn do różnych celów, wszystkie działają na tych samych zasadach mechanicznych.
zanim przejdziemy dalej, potrzebujemy krótkiego przeglądu podstawowych zasad dotyczących prostych maszyn (które okażą się szczególnie pomocne podczas studiowania poszczególnych maszyn)., Najważniejsze jest to, że proste maszyny nigdy nie zmieniają ilości wykonanej pracy, tylko sposób, w jaki praca jest wykonywana. Spójrzmy na definicję pracy, która jest zdefiniowana jako iloczyn siły i odległości i zapisana matematycznie jako:
ponieważ ilość pracy do wykonania nie zmienia się dla konkretnego zadania, ta wartość / align = „left” / Jednak zarówno siła, jak i odległość mogą być w rzeczywistości zmienione., Proste maszyny często wykonują pracę inaczej, stosując siłę wejściową lub wysiłek na większą odległość, aby ułatwić pracę. Oznacza to, że w celu zmniejszenia siły wymaganej do wykonania pracy, odległość musi być proporcjonalnie zwiększona. Załóżmy na przykład, że inżynier Emma musi wykonać 20 dżuli pracy. Może to osiągnąć na wiele różnych sposobów, z których jednym jest wywieranie siły 20 Newtonów na odległość 1 metra. Jednak łatwiejsza metoda może obejmować zastosowanie zaledwie 2 siły Newtona na odległość 10 metrów., W obu przypadkach Emma wykonuje tę samą pracę, jednak znacznie łatwiej jest jej to osiągnąć, stosując mniejszą siłę na dalszą odległość. Rysunek 2 ilustruje, w jaki sposób ta sama ilość pracy może być wykonana na wiele różnych sposobów, chociaż niektóre sposoby są łatwiejsze — lub bardziej wydajne-niż inne. Tak jest w przypadku korzystania z maszyny.
nachylona płaszczyzna
nachylona płaszczyzna (patrz rysunek 3) jest prawdopodobnie najstarszą i najbardziej prymitywną prostą maszyną znaną inżynierom. W rzeczywistości wielu z was prawdopodobnie zastanawia się, w jaki sposób skośna powierzchnia mogłaby być sklasyfikowana jako ” maszyna.”Niemniej jednak, urządzenie to daje inżynierom niezwykłą zdolność do podnoszenia ciężkich przedmiotów na wyższe pozycje z łatwością.
kluczową ideą jest to, że mniejszy wysiłek jest potrzebny, jeśli ładunek jest przenoszony na długiej rampie lub pochyłej ścieżce, w przeciwieństwie do podnoszenia go bezpośrednio na pionowej ścieżce. Na przykład, być może zauważyłeś, jak poruszający przenoszą bardzo ciężkie przedmioty, takie jak fortepian, do tyłu swojej ciężarówki. Oczywiście, nie mogą łatwo podnieść tak ciężkiego mebla bezpośrednio do tyłu ciężarówki., Zamiast tego, używają długiej rampy — lub pochylonej płaszczyzny — do ukończenia zadania. Pomysł ten był używany dawno temu przez starożytnych Egipcjan: wykorzystali pochyłą płaszczyznę i ludzką siłę, aby wznieść monumentalne budowle na niesamowite wysokości. Nawet dzisiaj inżynierowie wykorzystują nachyloną płaszczyznę w wielu innych zastosowaniach, aby wykonać pozornie niemożliwe zadania. Tylko niektóre z tych przykładów obejmują podjazdy dla wózków inwalidzkich, schody ruchome, schody, autostrady, a nawet szlaki turystyczne, które polegają na pochyłej płaszczyźnie jako sposobie łatwiejszego podnoszenia ciężkich przedmiotów.,
Klin
oprócz podnoszenia ciężkich przedmiotów, inżynierowie są również zainteresowani rozłupywaniem lub oddzielaniem materiału przy jak najmniejszym wysiłku. W tym przypadku inżynierowie wykorzystują klin, dzięki czemu zadania takie jak rąbanie drewna opałowego, cięcie papieru i koszenie naszych stoczni są znacznie łatwiejsze. Klin, jak pokazano na rysunku 4, jest prostą maszyną często uważaną za niewielką zmianę nachylonej płaszczyzny, ponieważ tak naprawdę składa się z dwóch nachylonych płaszczyzn ustawionych do tyłu. W rezultacie jeden koniec jest grubszy niż drugi, dzięki czemu powstaje ostra krawędź tnąca.,
chociaż prawdą jest, że klin jest bardzo podobny do nachylonej płaszczyzny fizycznie, inżynierowie używają tej Maszyny do nieco innych celów. Nachylona płaszczyzna służy do transportu ciężkich przedmiotów po nieruchomej powierzchni, podczas gdy sam klin może się poruszać w celu poruszania lub podnoszenia przedmiotów., Dlatego klin jest zasadniczo nachyloną płaszczyzną w ruchu. Gdy klin jest przesuwany, Siła do przodu jest przekształcana w siłę zewnętrzną lub dzielącą używaną do oddzielania lub dzielenia materiału.
chociaż klin może być również używany do podnoszenia lub przenoszenia przedmiotów na niewielką odległość, w całej historii był przede wszystkim wykorzystywany jako cenne urządzenie tnące. Siekiera jest klasycznym przykładem tego, jak klin jest używany, aby ułatwić pracę. Wyobrażasz sobie, jak trudno byłoby ściąć drzewo lub rąbać drewno bez siekiery?, Nawet najsilniejszy z ludzi ciągnący kawałek drewna w przeciwnych kierunkach nie mógł ukończyć obowiązków. Jednak zazwyczaj jeden potężny zamach siekiery dokona wyczynu przy niewielkim wysiłku.
oprócz siekiery, inne znane narzędzia, takie jak nóż, łopata, pług i nożyczki, wykorzystują klin, aby łatwo rozdzielić związany materiał. Czy można myśleć o innych urządzeniach, w których klin jest w pracy? Czasami trudno jest zidentyfikować klin w różnych projektach inżynierskich ze względu na wiele różnych wyglądów, które mogą mieć., Jest to jednak ciekawe, kiedy zdamy sobie sprawę, gdzie klin można znaleźć w tak wielu nieznanych miejscach, jak kadłub statku, skrzydła samolotu, a nawet nasze przednie zęby!
Śruba
podczas gdy wszystkie sześć prostych maszyn ma swoje odrębne cechy, tylko śruba jest w stanie przekształcić siłę obrotową w korzystną siłę liniową. Ta cecha jest pożądana w wielu zastosowaniach inżynierskich, w których ruch obrotowy jest jedynym źródłem wysiłku dostępnego do wykonania pracy, jak silnik odrzutowy., Podobnie jak klin, śruba (patrz rysunek 5) jest również ściśle związana z nachyloną płaszczyzną, ponieważ w rzeczywistości składa się z nachylonej płaszczyzny owiniętej wokół cylindra. Spiralne krawędzie wokół cylindrycznej powierzchni, powszechnie określane jako gwinty śrubowe, nadają śrubie zdolność do pracy.
ponieważ inżynierowie mogą zastosować tę maszynę do dwóch różnych niepowiązanych aplikacji, śruba ma dwie ogólne klasyfikacje: śruba mocująca i śruba podnosząca. W przeciwieństwie do klina, który jest zaprojektowany z możliwością cięcia i oddzielania materiału, śruba mocująca służy do mocowania i łączenia dwóch kawałków materiału razem. Ten typ śruby zwykle ma ostre gwinty, które przecinają połączone ze sobą części. Materiały ostatecznie zostają ściśnięte i trzymane razem między łbem śruby a jej gwintami., Tarcie od szorstkich nici, z drugiej strony, utrzymuje śrubę z pracy luźne w czasie.
śruba podnosząca jest innym rodzajem śruby, przeznaczonej głównie do podnoszenia lub przesuwania masy w kierunku równoległym do osi śruby. Ponieważ śruba podnosząca musi obracać się wiele razy, aby zwiększyć obciążenie na niewielką odległość, praca jest łatwiejsza dzięki jej pomocy. Chociaż może to być trudne do wizualizacji, doskonałym przykładem śruby podnoszącej jest wspólne śmigło znalezione na małym samolocie lub łodzi., Gdy śmigło jest obracane przez siłę obrotową dostarczaną przez Silnik, Siła liniowa jest tworzona wzdłuż jego osi obrotowej w celu wytworzenia ciągu. Inżynierowie lotnictwa stwierdzili również, że narzędzie to jest wyjątkowo korzystne dla wirników śmigłowców i silników odrzutowych.
oprócz śmigła, spiralne schody, nakrętka i śruba, śruba do drewna, Świder, wiertło, przekładnia ślimakowa i wiatrak są również dobrymi przykładami zastosowania śruby w wielu przydatnych systemach inżynieryjnych.