JEDNODUCHÉ STROJE: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, TYPY, PRÍKLADY - TECHNOLÓGIE - 2025

Tieto jednoduché stroje sú mechanické zariadenia, ktoré menia veľkosť alebo smer sily. Všeobecne sa môžu definovať ako najbezprostrednejšie kosti, ktoré využívajú mechanickú výhodu, nazývanú tiež pákový efekt, na zvýšenie sily.

V priebehu histórie ľudia vyvinuli rôzne zariadenia na uľahčenie práce. Najdôležitejšie sú známe ako šesť typov jednoduchých strojov: páka, koleso a hriadeľ, kladka, naklonená rovina, klin a skrutka.

Zdroj: John Mills

Keď počujete slovo stroj, myslíte na niečo ako rýpadlo alebo parný stroj. Vo vede je však stroj čokoľvek, čo zvyšuje silu.

Stroj môže zvýšiť množstvo vytvorenej sily za cenu pomerného zníženia vzdialenosti, ktorú bremeno prejde. Mechanická výhoda sa nazýva vzťah medzi vytvorenou silou a aplikovanou silou.

Jednoduchý stroj používa jedinú aplikovanú silu, ktorá pôsobí proti jednej zaťažovacej sile. Pri ignorovaní strát pri trení sa práca na záťaži rovná práci vykonanej aplikovanou silou.

Elementárne bloky

Jednoduché stroje sú všade a používajú sa každý deň na vykonávanie jednoduchých úloh. Používajú sa tiež od najstarších dní ľudskej existencie.

Jednoduché stroje možno považovať za základné bloky, z ktorých sú zložené všetky zložitejšie stroje, nazývané zložené stroje.

V mechanizme bicykla sa napríklad používajú kladky, páky a kolesá. Mechanická výhoda zloženého stroja nie je ničím iným ako výsledkom mechanických výhod jednoduchých strojov, ktoré ho tvoria.

Aj keď sa však v mechanike a aplikovanej vede naďalej považujú za veľmi dôležité, moderná mechanika prekročila túto víziu jednoduchých strojov ako základných blokov, z ktorých sú všetky stroje zložené.

histórie

Počiatočné nápady

Okolo 3. storočia pred naším letopočtom. C. vznikol myšlienku jednoduchého stroja s gréckym filozofom Archimedesom, ktorý študoval tieto jednoduché stroje: páka, kladka a skrutka.

Objavil v páke princíp mechanickej výhody. Jeho slávny komentár týkajúci sa páky: „Dajte mi miesto, aby som sa mohol oprieť a ja sa pohnem Zemou“ vyjadruje jeho pochopenie, že neexistovalo žiadne obmedzenie na zvýšenie sily, ktoré by sa dalo dosiahnuť pomocou mechanickej výhody.

Neskôr grécki filozofi definovali päť klasických jednoduchých strojov a boli schopní vypočítať mechanické výhody, ktoré mali.

Napríklad vo svojej práci Mechanics uvádza Heron of Alexandria (10-75 nl) päť zariadení, ktoré môžu uviesť bremeno do pohybu: kladka, koleso a hriadeľ, páka, skrutka a klin, podrobne opisujúce ich výrobu a použitie.

Znalosť Grékov sa však obmedzovala na statiku jednoduchých strojov (rovnováha síl), okrem dynamiky, koncepcie práce alebo kompromisu medzi silou a vzdialenosťou.

Renesančné obdobie

Dynamika mechanických síl, ako sa nazývali jednoduché stroje, sa začala skúmať počas renesancie z hľadiska toho, ako ďaleko by sa bremeno mohlo zdvihnúť, okrem sily, ktorá by sa mohla uplatniť, čo nakoniec viedlo k novému konceptu. mechanické práce.

Mechanickú výhodu naklonenej roviny odvodil flámsky inžinier Simon Stevin v roku 1586. Bola zahrnutá spolu s ostatnými jednoduchými strojmi.

Taliansky vedec Galileo Galilei vypracoval v roku 1600 úplnú dynamickú teóriu jednoduchých strojov vo svojej práci Le Meccaniche, kde odhalil základnú matematickú podobnosť ako silové zosilňovače týchto strojov. Bol prvým, kto vysvetlil, že jednoduché stroje nevytvárali energiu, iba ju transformovali.

Leonardo da Vinci objavil klasické pravidlá klzného trenia v strojoch, ale v jeho primeroch neboli publikované ani zdokumentované. V roku 1699 Guillaume Amontons tieto pravidlá znovu objavil av roku 1785 ich vyvinul Charles-Augustin de Coulomb.

vlastnosti

Jednoduché stroje sú zariadenia, ktoré nemajú žiadne alebo len veľmi málo pohyblivých častí, čo uľahčuje prácu. Hlavnou funkciou jednoduchého stroja je zosilnenie sily alebo zmena pohybu.

Pohyb a sila

Pohyb a sila v jednoduchom stroji sú neoddeliteľné. Vždy sú v obrátenom vzťahu.

Sila vyvolaná pákou je väčšia ako sila, ktorá na ňu pôsobí, ale vyvolaný pohyb je menší ako vynaložený pohyb. To znamená, že nárast sily je sprevádzaný stratou pohybu.

zamestnania

V mechanike je práca niečo, čo sily robia, keď sa pohybujú v smere, v ktorom konajú. To znamená, že pri použití sily na prejdenie vzdialenosti sa vytvorí práca. Matematicky sa vyjadruje ako: Work = Force × Distance.

Napríklad pri zdvíhaní predmetu sa musí vykonať práca, ktorá presahuje gravitačnú silu, a teda musí byť schopná pohybovať objektom nahor.

Ak chcete objekt zdvihnúť dvakrát tak ťažké, zdvihnutie rovnakej vzdialenosti vyžaduje dvakrát toľko práce. Zdvíhanie toho istého objektu by tiež trvalo dvakrát toľko práce.

Táto koncepcia práce je základom pre definovanie mechanickej funkcie jednoduchých strojov z hľadiska sily a pohybu, zdôrazňujúc neoddeliteľnosť sily a pohybu.

Mechanická výhoda

Je to vzťah medzi silou, ktorá vykonáva prácu vzhľadom na použitú silu. Preto je to účinnosť zosilnenia sily jednoduchého stroja.

Mechanická výhoda jednoduchých strojov znamená, že pri pohybe objektu sa dá použiť menšia sila, ale musí sa pohybovať na väčšiu vzdialenosť.

Úloha sa často považuje za ťažkú, pretože si vyžaduje veľa sily. Pomocou kompromisu medzi vzdialenosťou a silou môže byť úloha oveľa jednoduchšia.

Príkladom je tlačenie ťažkého predmetu z rampy. Je ľahšie zatlačiť predmet dolu po rampe, ako ho zdvihnúť do správnej výšky, ale musí byť nesený na väčšiu vzdialenosť.

Na čo slúžia jednoduché stroje?

Jednoduché stroje uľahčujú prácu vykonávaním jednej alebo viacerých z nasledujúcich funkcií:

- Preneste silu z jedného miesta na druhé.

- Zmeňte smer sily.

- Zväčšiť veľkosť sily.

- Zväčšiť vzdialenosť sily.

Aj keď jednoduché stroje majú mnoho rôznych foriem, dodávajú sa v šiestich základných typoch:

- Klin: zariadenie na oddelenie vecí.

- Koleso a náprava: používajú sa na zníženie trenia a ako multiplikátor sily.

- Páka: pohybuje sa okolo osi kvôli zvýšeniu alebo zníženiu mechanickej výhody.

- Naklonená rovina: zdvíhajte predmety pri stúpaní na svah.

- Skrutka: zariadenie, ktoré môže zdvíhať alebo držať veci spolu.

- Kladka: mení smer sily.

Zvýšte aplikovanú silu

Jednoduché stroje pomáhajú ľuďom zvyšovať silu aplikovanú na objekt. Poskytujú mechanickú výhodu pri pohybe objektov.

Ako naznačuje vzorec práce, hlavnou výhodou jednoduchých strojov je to, že je možné vykonať rovnaké množstvo práce použitím menšieho množstva sily na väčšiu vzdialenosť.

Napríklad chcete zdvihnúť predmet s hmotnosťou 10 kilogramov 2 metre zo zeme. Na predmet sa môže vyvinúť 10 kg sily smerom nahor, na vzdialenosť 2 metrov, čím sa vykoná 20 newtonov práce.

Ak by ste použili páku s dĺžkou 3 metre, umiestnite objekt na jeden koniec a umiestnite 10 cm stredový ohyb pod tyčou vo vzdialenosti 1 metra od objektu, aby ste zdvihli objekt, ktorý by ste museli zatlačiť na druhý koniec pomocou sila iba 5 kilogramov.

Koniec páky by však musel byť stlačený nadol 4 metre, aby sa objekt zdvihol iba 2 metre.

Existuje kompromis. Zníženie páky zdvojnásobí predchádzajúcu vzdialenosť, ale zredukuje silu potrebnú na polovicu a vykoná rovnakú prácu.

druhy

páka

Je to druh tuhej tyče, ktorá má pevný bod otáčania ako oporný bod. Skladá sa z bremena, ktoré je predmetom na premiestnenie alebo zdvihnutie, otočného čapu, ktorý je otočným čapom, a sily, ktorá je silou potrebnou na premiestnenie alebo zdvíhanie bremena.

Pôsobenie sily na jeden koniec páky vytvára väčšiu silu na druhom konci. Aplikovaná sila sa zvýši alebo zníži v závislosti od vzdialenosti od opory k zaťaženiu a namáhaniu.

Koleso a náprava

Skladá sa z kolesa pripevneného na menšiu nápravu tak, aby sa tieto dve časti otáčali spolu, pričom sila sa prenáša z jednej na druhú. Kĺb podporuje hriadeľ, čo umožňuje jeho rotáciu.

Uľahčuje prácu pohybujúcich sa objektov na veľké vzdialenosti. Koleso, ktoré je okrúhlym koncom, sa otáča s valcovou osou, čo spôsobuje pohyb.

Môže tiež zosilniť silu. Malá sila pôsobiaca na obvod veľkého kolesa môže pohybovať väčším bremenom pripevneným na nápravu.

kladka

Je určený na podporu pohybu a zmeny smeru napnutého lana. Lano sa ovinie okolo kolesa. Keď sa koleso otáča, lano sa pohybuje akýmkoľvek smerom.

Ak je k lanu pripojený hák, otáčanie kolesa sa môže použiť na zdvíhanie a spúšťanie predmetov, čo uľahčuje prácu.

Naklonená rovina

Je to plochý povrch, ktorého jeden koniec je vyšší ako druhý a slúži ako podpera na zdvíhanie alebo spúšťanie bremena. Často sa používajú na prepravu ťažkých nákladov cez vertikálne prekážky.

Posun predmetu po naklonenej rovine vyžaduje menšiu silu ako priame zdvihnutie, za cenu zvýšenia prejdenej vzdialenosti.

Mechanická výhoda naklonenej roviny sa rovná pomeru dĺžky naklonenej plochy k výške, ktorú pokrýva.

kolíska

Je to nástroj v tvare trojuholníka. Môže sa použiť na oddelenie dvoch objektov, odstránenie častí objektu, nadvihnutie alebo držanie objektu na mieste.

Funguje tak, že sa sila pôsobiaca na jeho tupý koniec prevedie na sily kolmé na jeho naklonenú plochu.

Mechanická výhoda je daná vzťahom medzi dĺžkou svahu a šírkou.

skrutka

Je to mechanizmus, ktorý prevádza rotačný pohyb na lineárny pohyb a rotačnú silu (krútiaci moment) na lineárnu silu. Skrutka je skutočne ďalším typom naklonenej roviny.

Jeho najbežnejší tvar pozostáva z valcového hriadeľa so skrutkovitými drážkami nazývanými nite pozdĺž vonkajšej strany.

Skrutka prechádza otvorom v inom objekte alebo médiu s vnútornými závitmi, ktoré sú v zábere so závitmi skrutky.

Príklady

páky

Niektoré príklady pák sú kľučky dverí, pazúry kladiva na odstraňovanie nechtov, železné páky, vypínače svetiel, otvárače na fľaše a pánty.

Zdroj: pixabay.com

Kolesá a nápravy

Nachádzajú sa tam, kde sa veci pohybujú v kruhu, ako napríklad elektrický ventilátor, motor, otočné dvere, kolotoč a akékoľvek koleso, či už je to v aute, na skateboarde alebo na bicykli.

Zdroj: pixabay.com

remenice

Používajú sa v závesoch a roletách, aby sa pohybovali hore a dole, alebo tam a späť.

Môžu priniesť niečo zo zeme, napríklad vlajku na tyči. Lano je stiahnuté dole, ale vlajka stúpa.

Používajú sa tiež v priemysle na zdvíhanie a spúšťanie ťažkých nákladov, na lodiach na zdvíhanie a spúšťanie plachiet alebo v žeriavoch, ktoré sa používajú na pohybujúce sa stavebné stroje.

Výťahy tiež používajú kladky na pohyb vozidla dolu a hore z podlahy na podlahu.

Zdroj: pixabay.com

Sklonené lietadlá

Používajú sa v parkoviskách pre skútre, na rampách pre invalidné vozíky a na prepravu ťažkých zariadení do a zo zadnej časti nákladných vozidiel.

Upravené verzie rampy sa nachádzajú na schodoch, eskalátoroch, turistických trasách a dokonca aj na snímkach, ktoré sa používajú na vyhodenie pošty do poštovej schránky, a to až po vlak, ktorý stúpa po svahu.

Zdroj: pexels.com

kolíska

Príkladmi klinov používaných na oddeľovanie môžu byť lopata, nôž, sekera, krumpáč, píla, nožnice alebo kliešte na ľad.

Kliny môžu tiež držať veci pohromade, ako je tomu v prípade svoriek, špendlíkov, špendlíkov, klincov alebo dverných zarážok.

Zdroj: pixabay.com

skrutka

Niektoré príklady sa týkajú vŕtačky, veka nádoby, žiarovky, skrutky, uzáverov fliaš, kohútikov a pier.

Ďalšie použitie skrutky je v zariadení nazývanom skrutkové čerpadlo. Je to obrovský skrutkovitý hydraulický stroj, ktorý prúdi do vody. Pri otáčaní sa voda vďaka svojmu tvaru skrutky dostane hore skrúteným hriadeľom a stúpa tam, kde je to potrebné. Skrutkové čerpadlá sa často používajú na zavlažovanie av poľnohospodárskych prostrediach, ako sú farmy.

Zdroj: pixabay.com

Referencie

1. Wikipedia, bezplatná encyklopédia (2019). Jednoduchý stroj. Prevzaté z: en.wikipedia.org.
2. Verejná televízia v Idahu (2019). Jednoduché stroje: fakty. Prevzaté z: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 jednoduchých strojov: Zjednodušenie práce. Live Science. Prevzaté z: livescience.com.
4. Učiteľstvo inžinierstva (2019). Inžinierstvo: Jednoduché stroje. Prevzaté z: teachengineering.org.
5. Pre učiteľov pre študentov (2019). Čo sú to jednoduché stroje? Prevzaté z: forteachersforstudents.com.au.
6. Štátna vláda Victoria (2019). Jednoduché stroje. Prevzaté z: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Šesť typov jednoduchých strojov. Prevzaté z: vexrobotics.com.