Introducere / motivație
care dintre voi elevii se bucură cu adevărat de ridicarea sau mutarea obiectelor grele? O astfel de muncă obositoare ne consumă energia, adesea lăsându-ne să ne simțim foarte obosiți și obosiți și, uneori, răniți dacă ridicăm sau mișcăm obiecte în mod necorespunzător. Acest rezultat nefericit este tocmai motivul pentru care inginerii se gândesc continuu la modalități prin care putem lucra mai ușor — astfel încât să putem lucra mai inteligent și nu mai greu. O modalitate de ingineri realiza acest lucru este prin proiectarea de mașini care ajuta la a face munca mai ușoară și mai eficientă., Mai exact, fiecare mașină de astăzi este compusă din una sau mai multe dintre cele șase mașini simple cunoscute — componentele fundamentale ale tuturor mașinilor mecanice. În această lecție, vom studia în detaliu trei dintre aceste dispozitive utile: planul înclinat, pană și șurubul. Deși inginerii folosesc fiecare dintre aceste trei mașini simple în scopuri diferite, toate funcționează pe aceleași principii mecanice.înainte de a merge mai departe, avem nevoie de o scurtă trecere în revistă a principiilor esențiale despre mașinile simple (care se vor dovedi deosebit de utile atunci când studiem fiecare mașină în parte)., Cel mai important lucru este că mașinile simple nu schimbă niciodată cantitatea de muncă depusă, ci doar modul în care se lucrează. Să ne uităm la definiția de muncă, care este definit ca fiind produsul dintre forță și distanța și scrise matematic ca:
Deoarece cantitatea de muncă să fie făcut nu se schimba pentru o anumită sarcină, această valoare rămâne constantă. Cu toate acestea, atât forța, cât și distanța pot fi de fapt modificate., Mașini Simple de multe ori realiza munca diferit prin aplicarea forței de intrare, sau efort, pe o distanță mai mare pentru a face munca mai ușoară pentru a efectua. Adică, pentru a reduce cantitatea de forță necesară pentru a face munca, distanța trebuie crescută proporțional. De exemplu, să spunem Emma inginerul trebuie să facă 20 Jouli în valoare de muncă. Ea poate realiza acest lucru în multe moduri diferite, dintre care unul este de a exercita o forță de 20 de newtoni pe o distanță de 1 metru. Cu toate acestea, o metodă mai ușoară poate implica aplicarea unei forțe de doar 2 Newton pe o distanță de 10 metri., În ambele cazuri, Emma face aceeași cantitate de muncă; cu toate acestea, este mult mai ușor pentru ea să realizeze acest lucru aplicând mai puțină forță pe o distanță suplimentară. Figura 2 ilustrează modul în care aceeași cantitate de muncă poate fi realizată în mai multe moduri diferite, deși unele moduri sunt mai ușoare — sau mai eficiente — decât altele. Acesta este cazul când utilizați o mașină.
Plan Înclinat
planul înclinat (vezi Figura 3) este, probabil, cel mai vechi și cel mai rudimentar aparat simplu, cunoscut pentru ingineri. De fapt, mulți dintre voi vă întrebați probabil cum o suprafață înclinată ar putea fi clasificată drept „mașină”.”Cu toate acestea, acest dispozitiv oferă inginerilor capacitatea extraordinară de a ridica obiecte grele într-o poziție mai înaltă cu ușurință.
ideea cheie aici este că este nevoie de mai puțin efort dacă o sarcină este transferată pe o rampă lungă sau o cale înclinată, spre deosebire de ridicarea directă pe o cale verticală. De exemplu, este posibil să fi observat cum movers muta obiecte foarte grele, cum ar fi un pian, în partea din spate a camionului lor în mișcare. Evident, nu pot ridica cu ușurință o piesă de mobilier atât de grea direct în sus și în spatele camionului lor., În schimb, ei folosesc o rampă lungă — sau un plan înclinat-pentru a finaliza lucrarea. Această idee a fost folosită cu mult timp în urmă de vechii egipteni: au folosit planul înclinat și puterea umană pentru a ridica structuri monumentale la înălțimi uimitoare. Chiar și astăzi, inginerii folosesc planul înclinat în multe alte aplicații pentru a îndeplini sarcini aparent imposibile. Doar câteva dintre aceste exemple includ rampe pentru scaune cu rotile, scări rulante, scări, autostrăzi și chiar trasee de drumeții, care se bazează pe planul înclinat ca mijloc de ridicare a obiectelor grele mai ușor.,pe lângă ridicarea obiectelor grele, inginerii sunt interesați și de împărțirea sau separarea materialului cu cât mai puțin efort posibil. În acest caz, inginerii folosesc o pană, astfel încât sarcini precum tăierea lemnului de foc, tăierea hârtiei și cosirea șantierelor noastre să fie mult mai ușoare. Pană, așa cum este ilustrat în Figura 4, este o mașină simplă adesea considerată a fi o ușoară variație a planului înclinat, deoarece constă într-adevăr din două planuri înclinate așezate înapoi în spate. Ca rezultat, un capăt este mai gros decât celălalt, astfel încât se formează o muchie ascuțită.,
deși este adevărat că pană este foarte similar cu planul înclinat fizic, inginerii folosesc această mașină pentru scopuri ușor diferite. Planul înclinat funcționează pentru a transporta obiecte grele pe o suprafață staționară, în timp ce pană în sine se poate mișca pentru a muta sau ridica obiecte., Prin urmare, pană este în esență un plan înclinat în mișcare. Când o pană este deplasată, o forță înainte este transformată în forța exterioară sau de despărțire utilizată pentru a separa sau împărți materialul.chiar dacă pană poate fi, de asemenea, utilizat pentru a ridica sau muta obiecte pe o distanță scurtă, de-a lungul istoriei a fost utilizat în principal ca un dispozitiv de tăiere valoros. Un topor este un exemplu clasic al modului în care o pană este folosită pentru a ușura munca. Vă puteți imagina cât de greu ar fi să tăiați un copac sau să tăiați lemn fără topor?, Chiar și cei mai puternici dintre bărbați care trag pe o bucată de lemn în direcții opuse nu au putut finaliza corvoada. Cu toate acestea, în general, o lovitură puternică de topor va realiza feat-ul cu puțin efort.în plus față de topor, alte instrumente familiare, cum ar fi un cuțit, lopată, plug și foarfece, toate profită de pană pentru a separa cu ușurință materialul legat. Vă puteți gândi la alte dispozitive în cazul în care pană este la locul de muncă? Uneori este dificil să se identifice pană în diferite proiecte de inginerie astăzi din cauza multe apariții diferite poate avea., Este interesant, cu toate acestea, atunci când ne dăm seama în cazul în care pană pot fi găsite în cât mai multe locuri necunoscute, precum și, cum ar fi Coca unei nave, aripi de avion, și chiar dinții din față!în timp ce toate cele șase mașini simple au propriile lor calități distincte, numai șurubul este capabil să transforme o forță de rotație într-o forță liniară favorabilă. Această caracteristică este de dorit în multe aplicații de inginerie în care mișcarea de rotație este singura sursă de efort disponibilă pentru a efectua lucrări, precum un motor cu reacție., Similar cu pană, șurubul (vezi Figura 5) este, de asemenea, strâns legat de planul înclinat, deoarece este de fapt compus dintr-un plan înclinat înfășurat în jurul unui cilindru. Marginile spiralate din jurul suprafeței cilindrice, denumite în mod obișnuit filetele șurubului, conferă șurubului capacitatea sa de a lucra.
Deoarece inginerii pot aplica această mașină la două diferite, fără legătură aplicații, șurubul a două clasificări: șurubul de fixare și ridicare șurub. Spre deosebire de pană, care este proiectată cu capacitatea de a tăia și separa materialul, șurubul de fixare este utilizat pentru fixarea și îmbinarea a două bucăți de material împreună. Acest tip de șurub are, de obicei, fire ascuțite care se taie în părțile îmbinate. Materialele devin în cele din urmă stoarse și ținute împreună între capul șurubului și firele sale., Fricțiunea din firele brute, pe de altă parte, împiedică șurubul să funcționeze liber în timp.șurubul de ridicare este celălalt tip de șurub, conceput în principal pentru ridicarea sau deplasarea masei într-o direcție paralelă cu axa șurubului. Deoarece șurubul de ridicare trebuie să se rotească de mai multe ori pentru a avansa sarcina pe o distanță scurtă, lucrul este mai ușor cu ajutorul acestuia. Deși poate fi greu de vizualizat, un exemplu excelent al șurubului de ridicare este o elice comună găsită pe o aeronavă sau o barcă mică., Când elicea este rotită de o forță de rotație furnizată de motor, o forță liniară este creată de-a lungul axei sale de rotație pentru a produce tracțiune. Ingineri aeronautice au găsit, de asemenea, acest instrument pentru a fi extrem de benefic pentru rotoare de elicopter și motoare cu reacție, precum și.în plus față de elice, o scară în spirală, piuliță și șurub, șurub de lemn, șnec, burghiu, angrenaj cu melc și moară de vânt sunt, de asemenea, exemple bune despre modul în care șurubul este aplicat în multe sisteme de inginerie utile astăzi.