ПРОСТЫЕ МАШИНЫ: ИСТОРИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДЫ, ПРИМЕРЫ - ТЕХНОЛОГИЯ - 2025

Эти простые машины представляют собой механические устройства , которые изменяют величину или направление силы. В целом их можно определить как самые простые устройства, которые используют механическое преимущество, также называемое рычагом, для увеличения силы.

На протяжении всей истории люди разрабатывали различные устройства для облегчения работы. Самые важные из них известны как шесть типов простых машин: рычаг, колесо и вал, шкив, наклонная плоскость, клин и винт.

Источник: Джон Миллс

Когда вы слышите слово «машина», вы думаете о чем-то вроде экскаватора или паровой машины. Однако в науке машина - это все, что увеличивает силу.

Машина может увеличивать количество создаваемой силы за счет пропорционального уменьшения расстояния, на которое перемещается груз. Механическое преимущество называется соотношением между создаваемой силой и приложенной силой.

Простая машина использует одну приложенную силу, которая работает против одной силы нагрузки. Пренебрегая потерями на трение, работа, выполняемая с грузом, равна работе, выполняемой приложенной силой.

Элементные блоки

Простые машины повсюду, они используются каждый день для выполнения простых задач. Они также использовались с самых первых дней существования человека.

Простые машины можно рассматривать как элементарные блоки, из которых состоят все более сложные машины, называемые составными машинами.

В механизме велосипеда, например, используются шкивы, рычаги и колеса. Механическое преимущество составной машины - не что иное, как результат механических преимуществ простых машин, из которых она состоит.

Однако, хотя они по-прежнему считаются очень важными в механике и прикладной науке, современная механика превзошла представление о простых машинах как элементарных блоках, из которых состоят все машины.

история

Начальные идеи

Примерно в 3 веке до нашей эры. Идея простой машины возникла у К. у греческого философа Архимеда, который изучал следующие простые машины: рычаг, шкив и винт.

Он обнаружил в рычаге принцип механического преимущества. Его знаменитый комментарий относительно рычага: «Дайте мне место, где я могу опереться, и я переверну Землю», выражает его понимание того, что не существует предела увеличению силы, которое может быть достигнуто с использованием механического преимущества.

Позднее греческие философы определили пять классических простых машин и смогли вычислить механическое преимущество, которое они имели.

Например, в своей работе «Механика» Герон Александрийский (10–75 г. н.э.) перечисляет пять устройств, которые могут приводить в движение нагрузку: шкив, колесо и вал, рычаг, винт и клин, подробно описывая их изготовление и использование.

Однако знания греков ограничивались статикой простых машин (балансом сил), не включая динамику, концепцию работы или компромисс между силой и расстоянием.

Период Возрождения

Динамику механических сил, как назывались простые машины, начали изучать в эпоху Возрождения с точки зрения того, насколько далеко можно поднять груз, в дополнение к силе, которую можно было применить, что в конечном итоге привело к новой концепции. механическая работа.

Механическое преимущество наклонной плоскости было выведено фламандским инженером Саймоном Стевином в 1586 году. Оно было включено в число других простых машин.

Итальянский ученый Галилео Галилей разработал в 1600 году полную динамическую теорию простых машин в своей работе Le Meccaniche, где он выявил лежащее в основе математическое сходство усилителей силы этих машин. Он был первым, кто объяснил, что простые машины не создают энергию, они только преобразовывают ее.

Леонардо да Винчи открыл классические правила трения скольжения в машинах, но они не были опубликованы или задокументированы в его учебнике. В 1699 году Гийом Амонтон заново открыл эти правила, а в 1785 году их разработал Шарль-Огюстен де Кулон.

характеристики

Простые машины - это устройства без движущихся частей или с очень небольшим количеством движущихся частей, которые облегчают работу. Основная функция простой машины - усиление силы или изменение движения.

Движение и сила

Движение и сила в простой машине неразделимы. Они всегда находятся в обратной зависимости.

Сила, создаваемая рычагом, больше силы, приложенной к нему, но создаваемое движение меньше приложенного. То есть прирост силы сопровождается потерей движения.

работа

В механике работа - это то, что силы совершают, когда они движутся в том направлении, в котором они действуют. То есть, когда для преодоления расстояния прилагается сила, создается работа. Математически это выражается как: Работа = Сила × Расстояние.

Например, чтобы поднять объект, необходимо выполнить работу, превышающую силу тяжести и, таким образом, уметь перемещать объект вверх.

Чтобы поднять объект вдвое тяжелее, требуется в два раза больше работы, чтобы поднять его на такое же расстояние. Также потребуется вдвое больше работы, чтобы поднять тот же объект вдвое дальше.

Эта концепция работы является фундаментальной для определения механической функции в простых машинах с точки зрения силы и движения, подчеркивая неразделимость силы и движения.

Механическое преимущество

Это соотношение между силой, выполняющей работу, по отношению к приложенной силе. Следовательно, это эффективность увеличения силы простой машины.

Механическое преимущество простых машин означает, что для перемещения объекта можно использовать меньшую силу, но его необходимо перемещать на большее расстояние.

Часто задача кажется сложной, потому что она требует больших усилий. Компромисс между расстоянием и силой может значительно упростить выполнение задачи.

Пример - толкание тяжелого предмета по рампе. Легче столкнуть объект с рампы, чем поднять на нужную высоту, но его нужно переносить на большее расстояние.

Для чего нужны простые машины?

Простые машины облегчают работу, выполняя одну или несколько из следующих функций:

- Перенести силы из одного места в другое.

- Измените направление силы.

- Увеличьте величину силы.

- Увеличьте дистанцию ​​силы.

Хотя простые машины имеют множество различных форм, они бывают шести основных типов:

- Клин: устройство для разделения вещей.

- Колесо и ось: используются для уменьшения трения и как усилитель.

- Рычаг: перемещается вокруг точки опоры для увеличения или уменьшения механического преимущества.

- Наклонная плоскость: поднимайте предметы при подъеме по склону.

- Винт: устройство, которое может поднимать или удерживать предметы вместе.

- Шкив: изменяет направление силы.

Увеличьте прилагаемую силу

Простые машины помогают людям увеличить силу, приложенную к объекту. Они обеспечивают механическое преимущество, помогая перемещать объекты.

Как показывает рабочая формула, основное преимущество простых машин - это возможность выполнять такой же объем работы за счет приложения меньшего усилия на большем расстоянии.

Например, вы хотите поднять объект весом 10 кг на 2 метра от земли. К объекту можно приложить 10 кг силы в направлении вверх на расстоянии 2 метра, таким образом выполняя работу в 20 ньютонов.

Если бы использовался 3-метровый рычаг, поместив объект на один конец и поместив точку опоры 10 см под перекладину на расстоянии 1 метра от объекта, тогда, чтобы поднять объект, вам нужно было бы надавить на другой конец с помощью сила всего 5 килограммов.

Однако конец рычага нужно опустить на 4 метра, чтобы поднять объект всего на 2 метра.

Есть компромисс. Опускание рычага удваивает предыдущее расстояние, но уменьшает необходимое усилие вдвое, выполняя тот же объем работы.

Типы

Рычаг

Это своего рода жесткий стержень, который имеет фиксированную точку опоры. Он состоит из груза, который представляет собой объект, который нужно переместить или поднять, точки опоры, которая является стержнем, и усилия, которое представляет собой силу, необходимую для перемещения или подъема груза.

Приложение силы к одному концу рычага создает большую силу на другом конце. Приложенная сила будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния от точки опоры до нагрузки и напряжения.

Колесо и ось

Он состоит из колеса, прикрепленного к меньшей оси, так что эти две части вращаются вместе, где сила передается от одной к другой. Шарнир поддерживает вал, позволяя вращаться.

Это облегчает работу по перемещению предметов на расстояния. Колесо с круглым концом вращается вместе с цилиндрической осью, вызывая движение.

Он также может увеличить силу. Небольшая сила, приложенная к окружности большого колеса, может переместить больший груз, прикрепленный к оси.

шкив

Он предназначен для поддержки движения и изменения направления натянутой веревки. Веревка наматывается на колесо. При вращении колеса веревка движется в любом направлении.

Если к веревке прикреплен крюк, вращение колеса можно использовать для подъема и опускания предметов, облегчая работу.

Наклонная плоскость

Это плоская поверхность с одним концом выше другого, используемая в качестве опоры для подъема или опускания груза. Они широко используются для перемещения тяжелых грузов через вертикальные препятствия.

Для перемещения объекта вверх по наклонной плоскости требуется меньше усилий, чем для его прямого подъема, за счет увеличения пройденного расстояния.

Механическое преимущество наклонной плоскости равно отношению длины наклонной поверхности к высоте, которую она покрывает.

люлька

Это инструмент треугольной формы. Его можно использовать для разделения двух объектов, удаления частей объекта, поднятия его или удержания объекта на месте.

Он работает путем преобразования силы, приложенной к его тупому концу, в силы, перпендикулярные его наклонной поверхности.

Механическое преимущество обеспечивается соотношением между длиной откоса и шириной.

Винт

Это механизм, преобразующий вращательное движение в линейное движение, а вращающую силу (крутящий момент) в линейную силу. Винт - это действительно еще один вид наклонной плоскости.

Его наиболее распространенная форма представляет собой цилиндрический вал со спиральными канавками, называемыми резьбой, вдоль внешней стороны.

Винт проходит через отверстие в другом объекте или среде, внутренняя резьба которого совпадает с резьбой винта.

Примеры

Рычаги

Некоторыми примерами рычагов являются дверные ручки, когти молотка для удаления гвоздей, железные рычаги, переключатели света, открывалки для бутылок и петли.

Источник: pixabay.com

Колеса и оси

Они встречаются там, где вещи вращаются по кругу, например, электрический вентилятор, двигатель, вращающаяся дверь, карусель и любое колесо, будь то в машине, на скейтборде или на велосипеде.

Источник: pixabay.com

Шкивы

Они используются в шторах и жалюзи, чтобы двигать их вверх и вниз или вперед и назад.

Они могут поднять что-нибудь с земли, например флаг на шесте. Веревка опущена, но флаг поднимается.

Они также используются в промышленности для подъема и опускания тяжелых грузов, на судах для подъема и опускания парусов или в подъемных кранах для перемещения строительного оборудования.

Лифты также используют шкивы для перемещения автомобиля вниз и вверх с этажа на этаж.

Источник: pixabay.com

Наклонные самолеты

Они используются в парках для скутеров, пандусах для инвалидных колясок, а также для перемещения тяжелого оборудования в кузов грузовиков и обратно.

Модифицированные версии пандусов можно найти на лестницах, эскалаторах, пешеходных дорожках и даже на горках, используемых для бросания почты в почтовый ящик, вплоть до поезда, поднимающегося по склону.

Источник: pexels.com

люлька

Некоторыми примерами клиньев, используемых для разделения, могут быть лопата, нож, топор, кирка, пила, ножницы или ледоруб.

Клинья также могут удерживать предметы вместе, например, скобки, булавки, кнопки, гвозди или дверные упоры.

Источник: pixabay.com

Винт

Некоторые примеры относятся к дрели, крышке банки, лампочке, болту, крышкам для бутылок, смесителям и ручкам.

Еще одно применение винта - это устройство, называемое винтовым насосом. Это огромная винтовая гидравлическая машина, уходящая в воду. При вращении, благодаря форме винта, вода поднимается по скрученному валу, поднимаясь туда, где это необходимо. Винтовые насосы часто используются для орошения и в сельскохозяйственных условиях, например на фермах.

Источник: pixabay.com

Ссылки

1. Википедия, бесплатная энциклопедия (2019). Простая машина. Взято с: en.wikipedia.org.
2. Общественное телевидение Айдахо (2019). Простые машины: факты. Взято с сайта idahoptv.org.
3. Джим Лукас (2018). 6 простых механизмов: упрощение работы. Живая наука. Взято с: livescience.com.
4. Преподавайте инженерное дело (2019). Инженерия: простые машины. Взято с: teachengineering.org.
5. Учителям для студентов (2019). Что такое простые машины? Взято с сайта forteachersforstudents.com.au.
6. Правительство штата Виктория (2019). Простые машины. Взято с сайта education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Шесть типов простых машин. Взято с: vexrobotics.com.