introduktion/Motivation
vilken av er studenter tycker verkligen om att lyfta eller flytta tunga föremål? Ett sådant ansträngande arbete förbrukar vår energi, vilket ofta gör att vi känner oss väldigt trötta och trötta och ibland skadade om vi lyfter eller flyttar föremål felaktigt. Detta olyckliga resultat är just därför ingenjörer ständigt tänker på hur vi kan arbeta lättare — så att vi kan arbeta smartare och inte hårdare. Ett sätt ingenjörer åstadkomma detta är genom att utforma maskiner som hjälper till att göra arbetet enklare och effektivare., Mer specifikt består varje maskin idag av en eller flera av de sex kända enkla maskinerna — de grundläggande komponenterna i alla mekaniska maskiner. I den här lektionen kommer vi att studera tre av dessa användbara enheter i detalj: det lutande planet, kilen och skruven. Även ingenjörer använder var och en av dessa tre enkla maskiner för olika ändamål, de alla arbetar på samma mekaniska principer.
innan vi går längre behöver vi en kort genomgång av de grundläggande principerna om enkla maskiner (vilket kommer att vara särskilt användbart när man studerar varje enskild maskin)., Det viktigaste faktum är att enkla maskiner aldrig ändrar mängden arbete, bara hur arbetet är gjort. Låt oss titta på definitionen av arbete, som definieras som en produkt av kraft och avstånd och skrivs matematiskt som:
eftersom mängden arbete som ska utföras inte förändras för en viss börda, förblir detta värde konstant. Men både kraft och avstånd kan faktiskt ändras., Enkla maskiner utför ofta arbete annorlunda genom att använda ingångskraften, eller ansträngning, över ett större avstånd för att göra arbetet lättare att utföra. Det vill säga, för att minska den mängd kraft som krävs för att göra arbetet, måste avståndet ökas proportionellt. Till exempel, låt oss säga Emma ingenjören behöver göra 20 Joules värda arbete. Hon kan åstadkomma detta på många olika sätt, varav en är att utöva en kraft på 20 Newtons över ett avstånd av 1 meter. En enklare metod kan dock innebära tillämpning av en ren 2 Newton kraft över ett avstånd av 10 meter., I båda fallen gör Emma samma mängd arbete; det är dock mycket lättare för henne att uppnå detta genom att applicera mindre kraft över ytterligare avstånd. Figur 2 visar hur samma mängd arbete kan utföras på många olika sätt, även om vissa sätt är enklare — eller effektivare — än andra. Detta är fallet när du använder en maskin.
lutande plan
det lutande planet (se Figur 3) är kanske den äldsta och mest rudimentära enkla maskinen som är känd för ingenjörer. Faktum är att många av er förmodligen undrar hur en lutande yta eventuellt kan klassificeras som en ”maskin.”Ändå ger denna enhet ingenjörer den extraordinära förmågan att lyfta tunga föremål till en högre position med lätthet.
huvudidén här är att mindre ansträngning behövs om en last överförs över en lång ramp eller lutande väg, i motsats till att lyfta den direkt över en vertikal väg. Till exempel kan du ha märkt hur movers flyttar mycket tunga föremål, till exempel ett piano, på baksidan av sin rörliga lastbil. Självklart, de kan inte lätt lyfta en så tung möbel direkt upp och in på baksidan av sin lastbil., Istället använder de ett långt ramp-eller lutande plan-för att slutföra jobbet. Denna idé användes för länge sedan av de gamla egyptierna: de använde det lutande planet och mänskliga styrkan för att bygga monumentala strukturer till fantastiska höjder. Även idag använder ingenjörer det lutande planet i många andra applikationer för att uppnå till synes omöjliga uppgifter. Bara några av dessa exempel inkluderar rullstolsramper, rulltrappor, trappor, motorvägar och till och med vandringsleder, som alla är beroende av det lutande planet som ett sätt att höja tunga föremål lättare.,
Wedge
förutom att lyfta tunga föremål är ingenjörer också intresserade av att dela upp eller separera material med så liten ansträngning som möjligt. I det här fallet använder ingenjörer användningen av en kil så att uppgifter som att hugga ved, skära papper och klippa våra varv blir mycket enklare. Kilen, som illustreras i Figur 4, är en enkel maskin som ofta anses vara en liten variation av det lutande planet eftersom det verkligen består av två lutande plan tillbaka till baksidan. Som ett resultat är den ena änden tjockare än den andra så att en skarp skäregg bildas.,
även om det är sant att kilen är mycket lik det lutande planet fysiskt, använder ingenjörer denna maskin för något olika ändamål. Det lutande planet fungerar för att transportera tunga föremål över en stationär yta, medan kilen själv kan röra sig för att flytta eller lyfta föremål., Därför är kilen i huvudsak ett lutande plan i rörelse. När en kil flyttas omvandlas en framåtkraft till den yttre eller avskiljningskraft som används för att separera eller dela upp material.
även om kilen också kan användas för att lyfta eller flytta objekt på kort avstånd, har den genom historien främst använts som en värdefull skärningsanordning. En yxa är ett klassiskt exempel på hur en kil används för att göra arbetet enklare. Kan du föreställa dig hur svårt det skulle vara att skära ner ett träd eller hugga ved utan en yxa?, Även den starkaste av män som drar på en bit timmer i motsatta riktningar kunde inte slutföra chore. Men i allmänhet en rejäl swing av en yxa kommer att utföra bedrift med liten ansträngning.
förutom yxan, andra välbekanta verktyg som en kniv, spade, plog och sax alla dra nytta av kilen för att enkelt separera bundet material. Kan du tänka på andra enheter där kilen är på jobbet? Ibland är det svårt att identifiera kilen i de olika tekniska mönster idag på grund av de många olika framträdanden det kan ha., Det är dock intressant när vi inser var kilen finns på så många okända platser som skrovet på ett fartyg, flygplansvingar och till och med våra främre tänder!
skruva
medan alla sex enkla maskiner har sina egna distinkta egenskaper, kan bara skruven omvandla en rotationskraft till en gynnsam linjär kraft. Denna egenskap är önskvärd i många tekniska applikationer där rotationsrörelse är den enda källan till ansträngning som är tillgänglig för att utföra arbete, som en jetmotor., I likhet med kilen är skruven (se Figur 5) också nära relaterad till det lutande planet eftersom det faktiskt består av ett lutande plan som viks runt en cylinder. De spiralformade kanterna runt den cylindriska ytan, vanligen kallad skruvgängorna, ger skruven sin förmåga att göra arbete.
eftersom ingenjörer kan tillämpa denna maskin på två olika orelaterade applikationer har skruven två allmänna klassificeringar: fästskruven och lyftskruven. I motsats till kilen, som är utformad med förmåga att skära och separera material, används fästskruven för att fästa och ansluta två materialstycken tillsammans. Denna typ av skruv har vanligtvis vassa trådar som skärs i de delar som sammanfogas. Materialen blir så småningom klämda och hålls ihop mellan skruvens huvud och dess trådar., Friktion från de grova trådarna, å andra sidan, håller skruven från att fungera lös över tiden.
lyftskruven är den andra typen av skruv, som främst är konstruerad för att lyfta eller flytta massan i en riktning som är parallell med skruvens axel. Eftersom lyftskruven måste rotera många gånger för att föra lasten på kort avstånd, underlättas arbetet med hjälp. Även om det kan vara svårt att visualisera, är ett bra exempel på lyftskruven en vanlig propeller som finns på ett litet flygplan eller båt., När propellern snurras med en rotationskraft som tillhandahålls av motorn skapas en linjär kraft längs sin rotationsaxel för att producera dragkraft. Aeronautical ingenjörer har också funnit detta verktyg för att vara exceptionellt fördelaktigt för helikopterrotorer och jetmotorer samt.
förutom propellern är en spiraltrappa, mutter och bult, träskruv, skruv, borr, snäckväxel och Väderkvarn också bra exempel på hur skruven appliceras i många användbara tekniska system idag.