Zrobić cokolwiek – podnieść pudło, pchnąć samochód, wstać z łóżka, podskoczyć w powietrzu, umyć zęby – trzeba użyć siły pchającej lub ciągnącej. Jeśli chodzi o mówienie ludziom, że jesteś silny, to naprawdę masz na myśli to, że twoje ciało może zastosować dużą siłę. Być może widziałeś niesamowicie silnych ludzi w telewizji, ciągnących ciężarówkami lub pociągami gołymi rękami, ale jest granica tego, co może zrobić nawet najbardziej związane z mięśniami ludzkie ciało. Proste maszyny pozwalają nam przekroczyć ten limit. Proste maszyny mogą nas wszystkich wzmocnić!
Pinezki (czasami nazywane pinezkami) są trochę jak gwoździe z wbudowanymi młotkami. Kiedy naciskasz dużą, spłaszczoną głowę, siła, którą przykładasz (do dużego, spłaszczonego końca), jest skutecznie powiększana, ponieważ jest skoncentrowana na znacznie mniejszym obszarze przy niewielkiej główce szpilki. Według nauki nawet pinezki to proste maszyny.
Kiedy słyszysz słowo „maszyna”, prawdopodobnie myślisz o czymś w rodzaju buldożera lub lokomotywy parowej . Ale w nauce maszyna to coś, co zwiększa siłę. Więc młot to maszyna. Nóż i widelec to para maszyn. Nawet śmignięcie jajka to maszyna. Wszystkie te maszyny mają jedną wspólną cechę: kiedy zastosujesz do nich siłę, zwiększają jej rozmiar i stosują większą siłę gdzie indziej, jak zwyżka wynajem swój promująca. Nie można ciąć mięsa ręką, ale jeśli naciskasz na nóż, długi uchwyt i ostrzone ostrze powiększają siłę, którą nakładasz ręką – i plastry mięsa bez wysiłku. Gdy uderzysz młotkiem w gwoździe, uchwyt zwiększa siłę, którą przykładasz. A ponieważ główka młotka jest większa niż główka gwoździa, siła, którą przykładasz, wywierana jest na mniejszy obszar o znacznie większym nacisku – a gwóźdź łatwo wchodzi w drewno. Spróbuj wepchnąć paznokcie palcem, a docenisz przewagę jaką daje ci młotek.
Istnieje pięć głównych rodzajów prostej maszyny: dźwignie, koła i osie (które liczą się jako jedna), koła pasowe, rampy i kliny (które również liczą się jako jedna) i śruby. Przyjrzyjmy się im bliżej.
Dźwignie
Dźwignia to najprostsza maszyna ze wszystkich: to tylko długi pasek, który pomaga ci wywierać większą siłę, gdy ją obracasz. Kiedy siedzisz na sawannie, prawdopodobnie zorientowałeś się, że musisz usiąść dalej od punktu równowagi (znanego jako punkt obrotu lub punkt podparcia ), jeśli osoba na przeciwległym końcu jest cięższa od ciebie. Im dalej od miejsca, w którym siedzisz, tym więcej możesz pomnożyć siłę swojej wagi. Jeśli siedzisz daleko od punktu podparcia, możesz nawet podnieść znacznie cięższą osobę siedzącą na drugim końcu – pod warunkiem, że siedzą bardzo blisko punktu podparcia po ich stronie. Siła, którą przykładasz do swojej wagi, nazywa się wysiłkiem . Dzięki punktowi podparcia, wytwarza większą siłę, aby podnieść ładunek (ciężar drugiej osoby). Słowa „wysiłek” i „obciążenie” mogą być bardzo mylące, więc uniknęliśmy ich użycia w tym artykule. Ważną rzeczą do zapamiętania na temat dźwigni jest to, że siła, którą produkujesz, jest większa niż siła, którą zastosujesz.
Fizyka huśtawki
Dzięki długiej dźwigni możesz wywierać duży wpływ . Kiedy używasz siekiery lub klucza, długi uchwyt pomaga zwiększyć siłę, którą możesz zastosować. Im dłuższy uchwyt, tym większy efekt dźwigni. Długopis jest więc zawsze łatwiejszy w użyciu niż krótki. A jeśli nie możesz poruszyć nakrętki lub śruby za pomocą krótkiego klucza, wypróbuj jeden z dłuższym uchwytem.
Rodzaje dźwigni
Dźwignie są wszędzie wokół nas. Młotki, siekiery, szczypce, noże, śrubokręty, klucze, nożyczki – wszystkie te rzeczy zawierają dźwignie. Wszystkie dają efekt dźwigni, ale nie wszystkie działają tak samo. W rzeczywistości istnieją trzy różne rodzaje dźwigni (czasami znane jako klasy ).
Dźwignie klasy 1
W dźwigni klasy 1 siła, którą przykładasz, znajduje się po przeciwnej stronie punktu podparcia do siły, którą produkujesz. See-saw to przykład dźwigni klasy 1. Podobnie jak para nożyczek:
Dźwignia klasy 2 jest nieco inna, z punktem podparcia na jednym końcu. Stosujesz siłę na drugim końcu, a siła, którą produkujesz, znajduje się pośrodku. Dziadki do orzechów, prasy czosnkowe i taczki to przykłady dźwigni klasy 2:
Dźwignia klasy 3 jest znowu inna. Podobnie jak dźwignia klasy 2 ma punkt podparcia na jednym końcu. Ale obie siły się zmieniają. Teraz przykładasz siłę w środku, a siła, którą produkujesz, znajduje się na drugim końcu. Dźwignie Klasy 3 różnią się od innych maszyn tym, że redukują siłę, którą przykładasz, dając Ci znacznie większą kontrolę. Pincety i szczypce to przykład dźwigni klasy 3:
Długopisy to także dźwignie klasy 3: obracając je na rękach i przytrzymując w środku, uzyskujemy większą kontrolę nad stalówką lub długopisem.
Koła i osie
Wynalezienie koła i osi (pręta, wokół którego obraca się koło), około 5500 lat temu na Bliskim Wschodzie, zrewolucjonizowało transport i stopniowo przyniosło ogromne zmiany w społeczeństwie, ale co sprawiło, że było tak wyjątkowe? Łatwiej jest wepchnąć wózek załadowany ciężkim pudłem, niż przesuwać to samo pudło wzdłuż ziemi, ponieważ koła i osie wózka zmniejszają tarcie i zapewniają dźwignię. Możesz dowiedzieć się, jak w naszym głównym artykule na temat pracy kół .
Jak koło zwielokrotnia prędkość lub siłę.
Grafika: Koło może działać jako mnożnik siły lub mnożnik prędkości (ale nie oba jednocześnie). Jeśli obrócisz zewnętrzną (obręcz) koła, oś na środku obraca się z mniejszą prędkością, ale z większą siłą, więc koło działa jako mnożnik siły. Jeśli zamiast tego obrócisz oś (jak robi to samochód), koło staje się mnożnikiem prędkości. Oś obraca się tylko w niewielkiej odległości (niebieska strzałka), ale dźwignia koła oznacza, że zewnętrzna krawędź obraca się znacznie dalej (czerwona strzałka) w tym samym czasie. W ten sposób koło pomaga w szybszym jeździe.
Duże koła są używane do zwielokrotnienia siły również w inny sposób. Rury, na przykład, mają zamontowane kółka zwane zaworami odcinającymi (lub zaworami odcinającymi ). Kiedy obraca się zewnętrzną krawędź kurka, oś wewnętrzna obraca się ze znacznie większą siłą, dzięki czemu łatwiej jest zamknąć rurę. W ten sposób działają również koła kierownicy. Ciężarówka lub autobus często ma większą kierownicę niż samochód, ponieważ obracanie kół wymaga więcej siły. Większe koło daje kierowcy większy efekt dźwigni.
Koła mogą pomnożyć odległość i prędkość, a także siłę. Rowery mają duże koła, więc jeżdżą szybciej. Kiedy pedałujesz, zasilasz wnętrze koła. Ale zewnętrzne obrzeże koła obraca się szybciej i pokrywa więcej ziemi, więc pedałowanie ma o wiele większy efekt. Koła samochodowe działają w ten sam sposób.
Taczki łączą koła i dźwignie, aby uzyskać doskonały efekt. Taczka bardzo ułatwia transport ładunku z jednego miejsca do drugiego – z dwóch powodów. Po pierwsze, jego długa rama działa jak dźwignia, więc ładunek jest znacznie łatwiejszy do podniesienia. Po drugie, łatwiej jest popchnąć ładunek za pomocą taczki, ponieważ jedyne tarcie występuje między kołem a osią. Jeśli pchnąłbyś ładunek po szorstkiej powierzchni ziemi bez użycia taczki, tarcie byłoby znacznie większe.
