Hjul og aksler

Udfindelsen af hjulet og akslen (den stang, som et hjul drejer rundt om) for omkring 5500 år siden i Mellemøsten revolutionerede transporten og medførte gradvist store ændringer i samfundet, men hvad gjorde det så specielt?Det er lettere at skubbe en vogn med en tung kasse end at skubbe den samme kasse hen ad jorden, fordi vognens hjul og aksler reducerer friktionen og giver en løftestangseffekt. Du kan finde ud af hvordan i vores hovedartikel om, hvordan hjul virker.

Artwork: Hvis du drejer på ydersiden (fælgen) af et hjul, drejer akslen i midten med mindre hastighed, men med større kraft, så hjulet fungerer som en kraftmultiplikator. Hvis man i stedet drejer akslen (som i en bil), bliver hjulet en hastighedsmultiplikator. akslen drejer kun et kort stykke (blå pil), men hjulets løftestangseffekt betyder, at den ydre fælg drejer meget længere (rød pil) på samme tid. Det er sådan et hjul hjælper dig med at køre hurtigere.

Store hjul bruges også til at multiplicere kraften på andre måder.Rør har f.eks. hjul, der kaldes stophaner (eller stopventiler), monteret på dem. Når du drejer den ydre kant på en stophane, drejer den indre aksel med meget større kraft – så det er lettere at lukke røret. Styretøj fungerer også på denne måde. En lastbil eller en bus har ofte et større rat end en bil, fordi det kræver mere kraft at dreje hjulene. Det større hjul giver føreren større indflydelse.

Hjulene kan både øge afstand og hastighed og kraft. Cykler har store hjul, så de kører hurtigere. Når du træder i pedalerne, giver du kraft på indersiden af hjulet. Men hjulets ydre fælg drejer hurtigere rundt og dækker mere jord, så din pedalering har en meget større effekt. Bilhjul fungerer på samme måde.

Hjulbørnevogne kombinerer hjul og løftestænger til en strålende effekt. En trillebør gør det virkelig nemt at transportere en last fra et sted til et andet – af to grunde. For det første fungerer dens lange ramme som en løftestang, så lasten er meget lettere at løfte. For det andet er det lettere at skubbe lasten med en trillebør, fordi den eneste friktion er mellem hjulet og akslen.Hvis du skubbede lasten hen over den ujævne jordoverflade uden at bruge en trillebør, ville friktionen være meget større.

Gear

Foto: Et tandhjul består af to eller flere hjul af forskellig størrelse med tænder skåret i deres kanter for at sikre, at de “griber ind” (drejer sammen uden at glide).

Tandhjul er hjul med tænder, der enten kan øge en maskines hastighed eller dens kraft, men ikke begge dele på samme tid. Cykler bruger tandhjul på begge måder. Hvis du vil træde op ad en bakke, bruger du gear til at øge din kraft, så du ikke behøver at arbejde helt så hårdt, selv om fælden er, at de samtidig reducerer din hastighed. Hvis du kører på en lige vej, kan du bruge gear til at øge din hastighed, men denne gang er hagen, at de reducerer din kraft. Selv om det ikke er indlysende bare ved at se på dem, fungerer gear på nøjagtig samme måde som håndtag (ligesom hjul gør), og det kræver en hel del forklaringer, så vi vil ikke gå i detaljer her. I stedet kan du læse alt om det i vores artikel om tandhjul.

Rulskibe

Sæt to eller flere hjul sammen, og slyng et reb rundt om dem flere gange, og du skaber en kraftig løftemaskine kaldet en remskive. Hver gang rebet vikler sig rundt om hjulene, skaber du mere løftekraft eller mekanisk fordel. Hvis der er fire hjul, og rebet er viklet rundt om dem, fungerer remskiven som om fire reb støtter belastningen. du kan altså løfte fire gange så meget, selv om hagen er, at du skal trække rebet fire gange længere.Læs mere i vores artikel om remskiver.

Ramper og kiler

Arbejde: Hoved på en økse fungerer som en rampe. Når den strømmer ind i træ, flækker træet i stykker langs diagonalen. Det betyder, at man kan skære i træet ved at anvende en mindre kraft over en større afstand. Hvis du ville trække en træstamme fra hinanden med dine bare hænder, skulle du bruge en meget større kraft (men over en meget kortere afstand).

Hvis du nogensinde har hjulpet med at trække en båd op af havet, ved du, at det er nemmere at gøre det, hvis der er en rampe på bredden. I stedet for at løfte båden lodret,lige op, kan du få den op af havet med meget mindre kraft, hvis du går op ad rampen. Du bruger mindre kraft, men du skal trække båden længere væk – så du bruger den samme mængde energi i begge tilfælde. Bjergvandrere bruger sommetider tanken om en rampe til at komme op på toppen af en stejl stigning. Ved at zig-zagge fra side til side på tværs af deres stigning skaber de effektivt deres egen rampe. Bakken bliver mindre stejl, men de er nødt til at gå en del længere for at nå toppen.

Ramper er undertiden kendt som skråplan eller kiler.Øksehovedet er en kile, der fungerer på en anden måde. En økse tvinger træ fra hinanden på to måder. Skaftet fungerer som en løftestang, der forstørrer den kraft, du anvender. Det kileformede blad koncentrerer kraften over et mindre område, hvilket øger trykket på træet og splitter det i to dele. Bladet på en kniv virker på samme måde.

Skruer

Foto: Det spiralformede gevind på en skrue betyder, at det tager længere tid at skrue den ind i træet, men – i det mindste teoretisk set – skal du bruge mindre kræfter. Rillerne hjælper også skruen til at forblive på plads.

En skrue bider sig fast i træet, når du drejer den rundt. Man læser ofte videnskabsbøger, der siger, at en skrue er “som en rampe, der er viklet rundt i en cirkel”, hvilket er ret forvirrende og svært at forstå. Men forestil dig, at du er en myre, og at du ønsker at klatre fra bunden af en skrue til toppen. Hvis du klatrer lodret op ad ydersiden, kommer du et relativt kort stykke vej, men det kræver en frygtelig stor klatrekraft. Hvis du går op ad skruetråden og snor dig rundt og rundt, går du i virkeligheden op ad en slags vindeltrappe – en rampe, der snor sig rundt i en cirkel. Ja, man går meget længere, men det er meget lettere. Der er også en anden god ting ved en skrue: Fordi hovedet er større end skaftet under det, fungerer en skrue som et hjul (eller en løftestang): Hver gang du drejer hovedet, bider den skærpede spids under det sig fast i træet med større kraft. Det tilspidsede (kegleformede) design gør det lettere at skrue skruen ind.

Maskiner er overalt omkring os!

Det er stort set alt, hvad der er at finde i videnskaben om simple maskiner.Når man først forstår, hvordan maskiner fungerer, begynder man at se dem alle vegne. Selv din krop er fyldt med maskiner. Dit skelet er f.eks. en samling af håndtag! Tag et kig rundt i dit hjem og se, hvor mange flere “simple maskiner” du kan finde. Du vil blive overrasket over, hvor mange der er!

Er der en hage?

Hæve, skære, hugge, flytte, bøje – maskiner som dem, vi har udforsket ovenfor, gør det lettere at gøre alle mulige ting ved at skabe større kræfter, end du normalt kan skabe med din egen krop. Ved første øjekast lyder det, som om det kunne åbne op for at designe en maskine, der kan give os noget for ingenting – måske en maskine, der kan lave energi ud af den blå luft, eller en evighedsmaskine, der kører for evigt.

I praksis er fysikkens love strenge, og hvis man gør livet lettere for sig selv på én måde, gør man det altid sværere på en anden måde for at kompensere. Det er videnskabsmændenes måde at sige “der findes ingen gratis frokost”, og inden for fysikken går det under navnet loven om energiens bevarelse(simpelt sagt: vi kan ikke få energi til at dukke op på magisk vis ud af det blå). Så når du har en maskine, der giver dig mere kraft, giver den dig ikke ekstra energi, som du ikke havde før. med en remskive giver reb og hjul dig f.eks. meget mere løftekraft, men du skal løfte dem meget længere,så du bruger præcis den samme mængde energi, som du ville have gjort før. Du bruger den bare langsommere og med mindre anstrengelse, så løftet føles lettere. På samme måde kan du bruge en vippe til at løfte en meget tungere ven ved at sidde længere væk fra balancepunktet, end de er, men du skal bevæge dine ben meget længere for at kompensere. Du får ekstra kraft, men ingen ekstra energi – og det er hagen.

Arbejde: Med en vippe kan du skabe ekstra løftekraft. Den lille røde personkan løfte den store blå person ved at sidde længere væk fra omdrejningspunktet. Det betyder, at de kan løfte en større kraft, men hagen er, at de skal bevæge deres egen krop over en meget større afstand. Denne maskine giver mere kraft, men ikke mere energi.