VIENKĀRŠAS MAŠĪNAS: VĒSTURE, RAKSTURLIELUMI, VEIDI, PIEMĒRI - TEHNOLOĢIJAS - 2025

Šīs vienkāršās mašīnas ir mehāniskas ierīces, kas maina lielumu vai virzienu spēku. Parasti tos var definēt kā visbaltāko kaulu aparātu, kas spēka palielināšanai izmanto mehāniskas priekšrocības, ko sauc arī par sviras efektu.

Vēstures gaitā cilvēki ir izstrādājuši dažādas ierīces, lai atvieglotu darbu. Vissvarīgākie ir zināmi kā sešu vienkāršu mašīnu veidi: svira, ritenis un ass, skriemelis, slīpa plakne, ķīlis un skrūve.

Avots: Džons Milss

Dzirdot vārdu mašīna, jūs domājat par kaut ko līdzīgu ekskavatoram vai tvaika mašīnai. Tomēr zinātnē mašīna ir jebkas, kas palielina spēku.

Mašīna var palielināt radītā spēka daudzumu, proporcionāli samazinot kravas nobrauktā attāluma izmaksas. Par mehānisko priekšrocību sauc attiecības starp radīto spēku un pielikto spēku.

Vienkārša mašīna izmanto vienu pieliktu spēku, kas darbojas pret vienu slodzes spēku. Ignorējot berzes zudumus, darbs, kas veikts pie kravas, ir vienāds ar darbu, kas veikts ar pielikto spēku.

Elementārie bloki

Visur ir vienkāršas mašīnas, kuras katru dienu izmanto vienkāršu uzdevumu veikšanai. Tie ir izmantoti arī kopš cilvēka pastāvēšanas pirmajām dienām.

Vienkāršas mašīnas var uzskatīt par elementāriem blokiem, no kuriem sastāv visas sarežģītākās mašīnas, ko sauc par saliktām mašīnām.

Velosipēda mehānismā, piemēram, tiek izmantoti skriemeļi, sviras un riteņi. Saliktas mašīnas mehāniskās priekšrocības nav nekas cits kā vienkāršo mašīnu, kas to veido, mehānisko priekšrocību rezultāts.

Tomēr, kaut arī tos joprojām uzskata par ļoti svarīgiem mehānikā un lietišķajā zinātnē, mūsdienu mehānika šo vienkāršo mašīnu redzējumu ir pārspējusi kā elementārus blokus, no kuriem sastāv visas mašīnas.

Vēsture

Sākotnējās idejas

Ap 3. gadsimtu pirms mūsu ēras. C. ierosināja vienkāršas mašīnas ideju pie grieķu filozofa Arhimēda, kurš izpētīja šādas vienkāršās mašīnas: sviru, skriemeli un skrūvi.

Viņš svirā atklāja mehānisko priekšrocību principu. Viņa slavenais komentārs par sviru: "Dodiet man vietu, kur noliekties, un es pārvietošu Zemi" pauž savu izpratni, ka spēka palielināšanas apjomam, ko varētu sasniegt, izmantojot mehāniskās priekšrocības, nebija ierobežojumu.

Vēlāk grieķu filozofi definēja piecas klasiskās vienkāršās mašīnas un spēja aprēķināt to mehāniskās priekšrocības.

Piemēram, savā darbā Mehānika Herons no Aleksandrijas (10–75 AD) uzskaita piecas ierīces, kuras var iedarbināt slodzi: skriemeli, riteni un vārpstu, sviru, skrūvi un ķīli, sīki aprakstot to ražošanu un izmantošanu.

Tomēr grieķu zināšanas aprobežojās ar vienkāršu mašīnu statiku (spēku līdzsvaru), neietverot dinamiku, darba jēdzienu vai kompromisu starp spēku un attālumu.

Renesanses periods

Mehānisko spēku dinamika, kā tika dēvētas vienkāršas mašīnas, tika sākta pētījumā renesanses laikā, no skatupunkta, cik tālu kravu varēja pacelt, papildus spēkam, ko varēja pielikt, kas galu galā noveda pie jaunās koncepcijas mehāniskie darbi.

Slīpās plaknes mehāniskās priekšrocības 1586. gadā secināja flāmu inženieris Saimons Stīvens. Tā tika iekļauta līdzās citām vienkāršajām mašīnām.

Itāļu zinātnieks Galileo Galilei 1600. gadā izstrādāja pilnīgu vienkāršu mašīnu dinamisko teoriju, savā darbā Le Meccaniche, kur viņš atklāja pamatā esošo matemātisko līdzību kā šo mašīnu spēka pastiprinātāji. Viņš bija pirmais, kurš izskaidroja, ka vienkāršas mašīnas nerada enerģiju, bet tikai pārveido to.

Leonardo da Vinči mašīnās atklāja klasiskos slīdēšanas berzes noteikumus, taču tie nebija publicēti vai dokumentēti viņa gruntē. 1699. gadā Guillaume Amontons no jauna atklāja šos noteikumus, un 1785. gadā tos izstrādāja Charles-Augustin de Coulomb.

raksturojums

Vienkāršas mašīnas ir ierīces, kurās nav kustīgu daļu vai to ir ļoti maz, un tas atvieglo darbu. Vienkāršas mašīnas galvenā funkcija ir spēka pastiprināšana vai kustības modifikācija.

Kustība un spēks

Kustība un spēks vienkāršā mašīnā nav atdalāmi. Viņi vienmēr ir apgriezti savstarpējās attiecībās.

Sviras radītais spēks ir lielāks par tam pielikto spēku, bet radītā kustība ir mazāka par pielikto. Tas ir, spēka pieaugumu pavada kustības zaudēšana.

Ījabs

Mehānikā darbs ir kaut kas tāds, ko spēki dara, pārvietojoties tajā virzienā, kurā darbojas. Tas ir, kad, lai veiktu attālumu, tiek veikts spēks, tiek veikts darbs. To matemātiski izsaka šādi: darbs = spēks × attālums.

Piemēram, lai paceltu priekšmetu, ir jāveic darbi, kas pārsniedz gravitācijas spēku, un tādējādi viņi var objektu pārvietot uz augšu.

Lai objektu paceltu divreiz smagāku, tas prasa divreiz vairāk darba, lai to paceltu tādā pašā attālumā. Lai paceltu vienu un to pašu priekšmetu divreiz tālāk, būtu nepieciešams divreiz vairāk darba.

Šis darba jēdziens ir būtisks, lai definētu mehāniskās funkcijas vienkāršās mašīnās spēka un kustības izteiksmē, uzsverot spēka un kustības neatdalāmību.

Mehāniskās priekšrocības

Tas ir attiecībās starp spēku, kas veic darbu, attiecībā pret pielietoto spēku. Tāpēc tā ir spēka pastiprināšanas efektivitāte vienkāršai mašīnai.

Vienkāršu mašīnu mehāniskā priekšrocība nozīmē, ka objekta pārvietošanai var tikt izmantots mazāks spēks, taču tas ir jāpārvieto lielākā attālumā.

Daudzas reizes tiek uzskatīts, ka uzdevums ir grūts, jo tas prasa daudz spēka. Izmantojot kompromisu starp attālumu un spēku, uzdevumu var daudz vieglāk izpildīt.

Kā piemēru var uzspiest smagu priekšmetu uz nobrauktuves. Priekšmetu ir vieglāk nospiest lejā uz rampas nekā pacelt to pareizajā augstumā, taču tas ir jānovieto lielākā attālumā.

Kam paredzētas vienkāršas mašīnas?

Vienkāršas mašīnas atvieglo darbu, veicot vienu vai vairākas no šīm funkcijām:

- Pārnesiet spēku no vienas vietas uz otru.

- Mainiet spēka virzienu.

- Palieliniet spēka lielumu.

- Palieliniet spēka attālumu.

Lai arī vienkāršas mašīnas ir daudz dažādos veidos, tām ir seši pamatveidi:

- Ķīlis: ierīce lietu nodalīšanai.

- Ritenis un ass: izmanto berzes mazināšanai un kā spēka pavairotāju.

- Svira: pārvietojas pa atbalsta punktu, lai palielinātu vai samazinātu mehāniskās priekšrocības.

- slīpa plakne: paceļot objektus, kāpjot pa nogāzi.

- Skrūve: ierīce, kas var pacelt vai turēt priekšmetus kopā.

- Trīsi: maina spēka virzienu.

Palieliniet pielietoto spēku

Vienkāršas mašīnas palīdz cilvēkiem palielināt spēku, kas tiek piemērots objektam. Tie nodrošina mehānisku priekšrocību, palīdzot pārvietot objektus.

Kā norāda darba formula, vienkāršo mašīnu galvenais ieguvums ir tāda paša apjoma darba veikšana, pieliekot mazāku spēka daudzumu lielākā attālumā.

Piemēram, jūs vēlaties pacelt no zemes objektu, kas sver 10 kilogramus 2 metrus. Uz objektu priekšu var pielikt 10 kg spēka uz augšu, 2 metru attālumā, tādējādi veicot 20 ņūtonus.

Ja tika izmantota 3 metru svira, novietojot priekšmetu vienā galā un novietojot 10 cm garenvirziena zem stieņa 1 metra attālumā no objekta, tad, lai paceltu priekšmetu, jums tas būs jānospiež otrā galā ar spēks tikai 5 kilogrami.

Tomēr sviras galu vajadzēja nospiest uz leju 4 metrus, lai objektu paceltu tikai 2 metrus.

Ir kompromiss. Sviras nolaišana divkāršo iepriekšējo attālumu, bet samazina uz pusi nepieciešamo spēku, veicot tādu pašu darba apjomu.

Veidi

Svira

Tas ir sava veida stingrs stienis ar fiksētu balstu kā atbalsta punktu. Tas sastāv no kravas, kas ir pārvietojamais vai paceļamais priekšmets, atbalsta balsta, kas ir šarnīrsavienojums, un piepūles, kas ir spēks, kas nepieciešams kravas pārvietošanai vai pacelšanai.

Piespiežot spēku vienam sviras galam, otrā galā tiek radīts lielāks spēks. Pielietotais spēks palielināsies vai samazināsies atkarībā no attāluma no balsta līdz slodzei un spriegumam.

Ritenis un ass

Tas sastāv no riteņa, kas piestiprināts pie mazākas ass, lai šīs divas daļas rotētu kopā, kur spēku pārnes no viena uz otru. Vārpstu atbalsta viru, ļaujot griezties.

Tas atvieglo darbu, pārvietojot objektus no attāluma. Ritenis, kas ir apaļais gals, griežas ar cilindrisko asi, izraisot kustību.

Tas var arī pastiprināt spēku. Neliels spēks, kas pielikts liela riteņa apkārtmēram, var pārvietot lielāku asi, kas piestiprināta pie ass.

Skriemelis

Tas ir paredzēts, lai atbalstītu saspringtas virves kustību un virziena maiņu. Virve ietina ap riteni. Ritenim griežoties, virve pārvietojas jebkurā virzienā.

Ja virvei ir pievienots āķis, riteņa griešanos var izmantot, lai paceltu un nolaistu priekšmetus, atvieglojot darbu.

Slīpa plakne

Tā ir līdzena virsma, kuras viens gals ir augstāks par otru, un to izmanto kā balstu kravas pacelšanai vai nolaišanai. Tos plaši izmanto smagu kravu pārvietošanai virs vertikāliem šķēršļiem.

Objekta pārvietošana augšup pa slīpu plakni prasa mazāku spēku nekā tā pacelšana tieši uz nobrauktā attāluma palielināšanas rēķina.

Slīpas plaknes mehāniskā priekšrocība ir vienāda ar slīpas virsmas garuma un tā pārklājuma augstuma attiecību.

Šūpulis

Tas ir trīsstūrveida formas darbarīks. To var izmantot, lai atdalītu divus objektus, noņemtu objekta gabalus, paceltu to vai turētu objektu vietā.

Tas darbojas, pārveidojot spēku, kas pielikts tā neass galam, spēkos, kas ir perpendikulāri tā slīpajai virsmai.

Mehānisko priekšrocību piešķir attiecība starp slīpuma garumu un platumu.

Skrūve

Tas ir mehānisms, kas rotācijas kustību pārveido lineārā kustībā, bet rotācijas spēku (griezes momentu) - lineārā spēkā. Skrūve ir patiešām cita veida slīpa plakne.

Tās visizplatītākā forma sastāv no cilindriskas vārpstas ar spirālveida rievām, kuras sauc par vītnēm gar ārpusi.

Skrūve iziet cauri caurumam citā priekšmetā vai vidē ar iekšējiem vītnēm, kas savieno ar skrūvju vītnēm.

Piemēri

Sviras

Daži sviru piemēri ir durvju rokturi, naglu naglu naglas, dzelzs sviras, gaismas slēdži, pudeļu atvērēji un eņģes.

Avots: pixabay.com

Riteņi un asis

Tie tiek atrasti tur, kur viss notiek aplī, piemēram, elektriskais ventilators, motors, pagriežamās durvis, karuselis un jebkurš ritenis neatkarīgi no tā, vai tas atrodas automašīnā, uz skrituļdēļa vai uz velosipēda.

Avots: pixabay.com

Piedziņas

Tos izmanto aizkaros un žalūzijās, lai pārvietotu tos uz augšu un uz leju, vai uz priekšu un atpakaļ.

Viņi var kaut ko celt no zemes, piemēram, karogu uz staba. Virve tiek novilkta uz leju, bet karogs iet uz augšu.

Tos izmanto arī rūpniecībā, lai paceltu un nolaistu smagas kravas, uz kuģiem, lai paceltu un nolaistu buras, vai celtņos, ko izmanto pārvietojamām celtniecības iekārtām.

Lifts arī izmanto skriemeļus, lai pārvietotu automašīnu uz leju un uz augšu no grīdas uz grīdu.

Avots: pixabay.com

Slīpi plaknes

Tos izmanto motorolleru parkos, ratiņkrēslu uzbrauktuvēs un smagas tehnikas pārvietošanai kravas automašīnu aizmugurē.

Pārveidotas rampas versijas ir atrodamas uz kāpnēm, eskalatoriem, pastaigu takām un pat slaidiem, ko izmanto, lai pamestu pastu pastkastē, tieši līdz vilcienam, kas dodas augšup pa nogāzi.

Avots: pexels.com

Šūpulis

Daži no ķīļiem, kurus izmanto atdalīšanai, ir lāpsta, nazis, cirvis, pickax, zāģis, šķēres vai ledus savācējs.

Ķīļi var arī turēt lietas kopā, piemēram, skavas, tapas, tapas, naglas vai sliekšņi.

Avots: pixabay.com

Skrūve

Daži piemēri ir urbjmašīna, burkas vāks, spuldze, skrūve, pudeļu vāciņi, krāni un pildspalvas.

Vēl viena skrūves izmantošana ir ierīcē, ko sauc par skrūves sūkni. Tā ir milzīga skrūves formas hidrauliskā mašīna, kas nonāk ūdenī. Rotējot, pateicoties skrūves formai, ūdens iet augšup pa savīto vārpstu, paceļoties tur, kur nepieciešams. Skrūvju sūkņus bieži izmanto apūdeņošanai un lauksaimniecības apstākļos, piemēram, fermās.

Avots: pixabay.com

Atsauces

1. Wikipedia, bezmaksas enciklopēdija (2019). Vienkārša mašīna. Iegūts no: en.wikipedia.org.
2. Aidaho sabiedriskā televīzija (2019). Vienkāršas mašīnas: fakti. Iegūts no: idahoptv.org.
3. Džims Lūkass (2018). 6 vienkāršas mašīnas: atvieglo darbu. Dzīvā zinātne. Iegūts no: livescience.com.
4. Mācīt inženierzinātnes (2019). Inženierija: vienkāršas mašīnas. Iegūts no: teachengineering.org.
5. Skolotājiem studentiem (2019). Kas ir vienkāršas mašīnas? Iegūts no: forteachersforstudents.com.au.
6. Viktorijas štata valdība (2019). Vienkāršas mašīnas. Iegūts no: izglītība.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Seši vienkāršu mašīnu veidi. Iegūts no: vexrobotics.com.