Kola a nápravy

Vynález kola a nápravy (tyče, kolem které se kolo otáčí), k němuž došlo zhruba před 5500 lety na Blízkém východě, znamenal revoluci v dopravě a postupně přinesl obrovské změny ve společnosti, ale čím byl tak výjimečný?Je snazší tlačit vozík naložený těžkou bednou než tlačit stejnou bednu po zemi, protože kola a nápravy vozíku snižují tření a poskytují páku. Jak to funguje, se dozvíte v našem hlavním článku o tom, jak fungují kola.

Práce: Kolo může fungovat buď jako násobič síly, nebo jako násobič rychlosti (ale ne jako obojí současně). pokud otáčíte vnější stranou (ráfkem) kola, osa uprostřed se otáčí menší rychlostí, ale větší silou, takže kolo funguje jako násobič síly. Pokud místo toho otáčíte osou (jako u automobilu), kolo se stává násobitelem rychlosti. osa se otáčí jen na krátkou vzdálenost (modrá šipka), ale díky pákovému efektu kola se vnější ráfek za stejnou dobu otočí mnohem dále (červená šipka). Takto vám kolo pomáhá jet rychleji.

Velká kola se používají k násobení síly i jinými způsoby. například na potrubí jsou namontována kola zvaná kohoutky (nebo stopventily). Když otočíte vnějším kolečkem uzavíracího kohoutu, vnitřní osička se otáčí mnohem větší silou – takže se potrubí snáze uzavírá. Tímto způsobem fungují i řídicí kolečka. Nákladní auto nebo autobus má často větší volant než osobní automobil, protože k otáčení jeho kol je zapotřebí větší síly. Větší kolo dává řidiči větší páku.

Kola mohou násobit vzdálenost a rychlost stejně jako sílu. Jízdní kola mají velká kola, takže jedou rychleji. Když šlapete do pedálů, působíte silou na vnitřní stranu kola. Ale vnější ráfek kola se otáčí rychleji a pokrývá větší plochu, takže vaše šlapání má mnohem větší účinek. Stejným způsobem fungují i kola automobilů.

Kolečka kombinují kola a páky s brilantním účinkem. Trakař umožňuje opravdu snadnou přepravu nákladu z jednoho místa na druhé – a to ze dvou důvodů. Za prvé, jeho dlouhý rám funguje jako páka, takže se náklad mnohem snáze zvedá. Za druhé, pomocí trakaře se náklad snadněji tlačí, protože jediné tření je mezi kolem a nápravou. pokud byste náklad tlačili po nerovném povrchu země bez použití trakaře, tření by bylo mnohem větší.

Přepravky

Foto: Ozubené kolo je vyrobeno ze dvou nebo více různě velkých kol, která mají na svých hranách vyřezané zuby, aby se „zasekla“ (otáčela se spolu, aniž by prokluzovala).

Převody jsou kola se zuby, která mohou zvýšit buď rychlost stroje, nebo jeho sílu,ale ne obojí současně. Jízdní kola používají převody v obou směrech. Pokud chcete šlapat do kopce,použijete převody ke zvýšení síly, abyste se nemuseli tolik namáhat, i když jejich úskalím je, že zároveň snižují rychlost. Pokud jedete po rovné silnici, můžete použít převody ke zvýšení rychlosti, ale tentokrát je háček v tom, že sníží vaši sílu. Ačkoli to při pouhém pohledu na ně není zřejmé, převody fungují přesně stejným způsobem jako páky (stejně jako kola). to vyžaduje poměrně dlouhé vysvětlování, takže se zde nebudeme zabývat dalšími podrobnostmi. Místo toho si vše můžete přečíst v našem článku o převodech.

Kladky

Přiložte k sobě dvě nebo více kol a několikrát kolem nich obtočte lano a vytvoříte výkonný zvedací stroj zvaný kladka. Pokaždé, když lano obtočíte kolem kol, vytvoříte větší zdvihací sílu nebo mechanickou výhodu. Pokud jsou kola čtyři a lano se kolem nich obtočí, funguje kladka tak, jako by břemeno podpírala čtyři lana. můžete tedy zvednout čtyřikrát více, i když háček je v tom, že lano musíte táhnout čtyřikrát dále. více se dočtete v našem článku o kladkách.

Rampy a klíny

Práce: Hlava sekery funguje jako rampa. Při síle do dřeva se dřevo rozštípne podél úhlopříčky. To znamená, že dřevo lze štípat působením menší síly na větší vzdálenost. Kdybys chtěl kládu roztrhnout holýma rukama, musel bys vyvinout mnohem větší sílu (i když na mnohem kratší vzdálenost).

Pokud jsi někdy pomáhal vytahovat loď z moře, víš, že je to jednodušší, když je na břehu rampa. Místo toho, abyste loď zvedali svisle, přímo nahoru, můžete ji dostat z moře mnohem menší silou, pokud půjdete nahoru po rampě. Použijete menší sílu, ale musíte loď táhnout na delší vzdálenost – takže v každém případě spotřebujete stejné množství energie. Chodci do kopce někdy používají myšlenku rampy, aby se dostali na vrchol strmého stoupání. Tím, že se pohybují ze strany na stranu napříč stoupáním, si vlastně vytvářejí vlastní rampu. Kopec se tak stává méně strmým, ale oni musí ujít poměrně velký kus cesty, aby se dostali na vrchol.

Rampy se někdy nazývají nakloněné roviny nebo klíny. hlava sekery je klín pracující jiným způsobem. Sekera rozráží dřevo dvěma způsoby. Násada fungujejako páka, která zvětšuje sílu, kterou působíte. Klínovité ostří soustřeďuje sílu na menší plochu, čímž zvyšuje tlak na dřevo a štěpí ho. Stejným způsobem funguje i čepel nože.

Šrouby

Foto: Spirálový závit na šroubu znamená, že jeho zaražení do dřeva trvá déle, ale – alespoň teoreticky – potřebujete méně úsilí. Drážky taképomáhají šroubu zůstat na místě.

Šroub se při otáčení zakousne do dřeva. Často se dočtete ve vědeckých knihách, že šroub je „jako rampa obtočená kolem dokola“, což je dost matoucí a těžko pochopitelné. Ale představte si, že jste mravenec a chcetevylézt ze spodní části šroubu nahoru. Pokud šplháte svisle po vnější straně, urazíte relativně krátkou vzdálenost, ale je k tomu potřeba strašně moc šplhací síly. Pokud stoupáte po závitu šroubu, obtáčíte se kolem dokola, ve skutečnosti stoupáte po jakémsi spirálovitém schodišti – rampě obtočené kolem dokola. Ano, jdete mnohem dál, ale je to mnohem snazší. Šroub má ještě jednu dobrou vlastnost: protože hlava je větší než hřídel pod ní, funguje šroub jako kolo (nebo páka): při každém otočení hlavy se nabroušený hrot pod ní zakousne do dřeva větší silou. Kuželovitá (kuželovitá) konstrukce usnadňuje zasunutí šroubu.

Stroje jsou všude kolem nás!

To je v podstatě vše, co se týká nauky o jednoduchých strojích.Jakmile pochopíte, jak stroje fungují, začnete je vidět všude. Dokonce i vaše tělo je plné strojů. Například vaše kostra je souborem pák! Rozhlédněte se po svém domě a zjistěte, kolik dalších „jednoduchých strojů“ můžete spatřit. Budete překvapeni, kolik jich je!

Je v tom nějaký háček?

Zvedání, řezání, sekání, přemísťování, ohýbání – stroje, jako jsou ty, které jsme prozkoumali výše, usnadňují provádění nejrůznějších věcí tím, že vytvářejí větší síly, než můžete normálně vytvořit svým vlastním tělem. Na první pohled to zní, jako by to mohlo otevřít cestu ke konstrukci stroje, který nám může dát něco zadarmo – možná takového, který dokáže vyrobit energii ze vzduchu, nebo perpetuum mobile, které běží věčně.

V praxi jsou fyzikální zákony přísné, a pokud si život usnadníte jedním způsobem, vždy si ho ztížíte jiným, abyste to kompenzovali. To je způsob, jakým vědci říkají „neexistuje nic takového jako oběd zdarma“, a ve fyzice se to nazývá zákon zachování energie(jednoduše řečeno: nemůžeme způsobit, aby se energie objevila zázračně z ničeho nic). Takže kdykoli máte stroj, který vám dává větší sílu, nedává vám energii navíc, kterou jste předtím neměli. například s kladkou vám lana a kola dávají mnohem větší zvedací sílu, ale musíte je hnát mnohem dál,takže spotřebujete přesně stejné množství energie jako předtím. Jen ji spotřebováváte pomaleji a s menším úsilím, takže zvedání vám připadá snazší. Stejně tak můžete pomocí hvězdicové pily zvednout mnohem těžšího kamaráda tím, že si sednete dál od rovnovážného bodu, než je on, ale musíte hýbat nohama mnohem dál, abyste to kompenzovali. Získáte tak sílu navíc, ale žádnou energii navíc – a v tom je ten háček.

Práce: Houpačka vám umožní vytvořit dodatečnou zvedací sílu. Malý červený člověkmůže zvednout velkého modrého člověka tím, že si sedne dál od otočného bodu. To znamená, že může zvedat větší silou, ale háček je v tom, že musí pohybovat vlastním tělem na mnohem větší vzdálenost. Tento stroj vytváří větší sílu, ale ne větší energii.

.