Kerekek és tengelyek

A kerék és a tengely (a rúd, amely körül a kerék forog) feltalálása 5500 évvel ezelőtt a Közel-Keleten forradalmasította a közlekedést és fokozatosan hatalmas változásokat hozott a társadalomban, de mi tette ezt olyan különlegessé?Egy nehéz ládával megrakott szekeret könnyebb tolni, mint ugyanezt a dobozt a földön, mert a szekér kerekei és tengelyei csökkentik a súrlódást és erőt biztosítanak. Hogy hogyan, azt megtudhatod a kerekek működéséről szóló fő cikkünkből.

Műalkotás: Egy kerék működhet erőszaporítóként vagy sebességszaporítóként (de nem egyszerre mindkettő). ha a kerék külső (felni) oldalát forgatod, a középen lévő tengely kisebb sebességgel, de nagyobb erővel forog, így a kerék erőszaporítóként működik. Ha ehelyett a tengelyt forgatjuk el (mint egy autóban), akkor a kerék sebességszaporítóvá válik. a tengely csak egy rövid utat fordul el (kék nyíl), de a kerék tőkeáttételének köszönhetően a külső felni sokkal messzebbre fordul el (piros nyíl) ugyanabban az időben. Így segít a kerék gyorsabban haladni.

A nagy kerekeket más módon is használják az erő megsokszorozására.A csövekre például elzárócsapnak (vagy elzárószelepnek) nevezett kerekeket szerelnek. Amikor elfordítod a dugócsap külső felnijét, a belső tengely sokkal nagyobb erővel forog – így a csövet könnyebb elzárni. A kormánykerekek is így működnek. Egy teherautó vagy busz gyakran nagyobb kormánykerékkel rendelkezik, mint egy személygépkocsi,mert a kerekek elfordításához nagyobb erőre van szükség. A nagyobb kerék a sofőrnek nagyobb lendületet ad.

A kerekek az erő mellett a távolságot és a sebességet is képesek megsokszorozni. A kerékpároknak nagy kerekei vannak, így gyorsabban mennek. Amikor pedálozol, a kerék belső oldalát hajtod. De a kerék külső felnije gyorsabban forog és nagyobb területet fed le, így a pedálozásodnak sokkal nagyobb hatása van. Az autók kerekei ugyanígy működnek.

A kerekes talicskák a kerekeket és a karokat kombinálják briliáns hatásfokkal. A talicskával nagyon könnyű a rakományt egyik helyről a másikra szállítani – két okból is. Először is, a hosszú kerete úgy működik, mint egy kar, így a rakományt sokkal könnyebb felemelni. Másodszor, a talicskával könnyebb tolni a terhet, mert a súrlódás csak a kerék és a tengely között van.Ha a talicska használata nélkül tolnád a terhet a talaj egyenetlen felületén, a súrlódás sokkal nagyobb lenne.

Gears

Fotó:

A fogaskerék két vagy több különböző méretű kerékből áll, amelyeknek az éleibe fogakat vágtak, hogy biztosítsák, hogy “összeérjenek” (csúszás nélkül forogjanak együtt).

A fogaskerekek olyan fogakkal ellátott kerekek, amelyek vagy a gép sebességét, vagy az erejét növelhetik, de nem mindkettőt egyszerre. A kerékpárok mindkét módon használnak fogaskerekeket. Ha fel akarsz pedálozni egy emelkedőn,a fogaskerekeket használod, hogy növeld az erődet, így nem kell olyan keményen dolgoznod, bár a csapda az, hogy ezzel egyidejűleg csökkentik a sebességedet. Ha egyenes úton száguldasz, a sebességfokozatokat használhatod a sebesség növelésére, de a csapda ezúttal az, hogy csökkentik az erődet. Bár ránézésre nem nyilvánvaló, a fogaskerekek pontosan ugyanúgy működnek, mint a karok (csakúgy, mint a kerekek).Ez elég sok magyarázatot igényel, ezért itt nem megyünk bele a részletekbe. Ehelyett mindent elolvashatsz a fogaskerekekről szóló cikkünkben.

Csigák

Tegyél össze két vagy több kereket, és hurkolj köréjük többször egy kötelet, és máris létrehozol egy erőteljes emelőgépet, az úgynevezett csigát. Minden alkalommal, amikor a kötél a kerekek köré tekeredik, nagyobb emelőerőt vagy mechanikai előnyt hoz létre. Ha négy kerék van, és a kötél köréjük tekeredik, a csiga úgy működik, mintha négy kötél tartaná a terhet.Így négyszer annyit emelhet, bár a bökkenő az, hogy a kötelet négyszer tovább kell húznia.Bővebben a csigákról szóló cikkünkben.

Rámpák és ékek

Művészet: A fejsze feje rámpaként működik. Amikor fába hatol, a fa az átló mentén hasad szét. Ez azt jelenti, hogy nagyobb távolságon kisebb erő kifejtésével vághatod a fát. Ha puszta kézzel akarnál széthúzni egy rönköt, sokkal nagyobb erőt kellene kifejtened (bár sokkal rövidebb úton).

Ha segítettél már valaha is kihúzni egy hajót a tengerből, akkor tudod, hogy tengeribb, ha van egy rámpa a parton. Ahelyett, hogy függőlegesen,egyenesen felemelnéd a hajót, sokkal kisebb erővel tudod kihúzni a tengerből, ha felmész a rámpán. Kevesebb erőt használsz, de hosszabb távolságra kell húznod a csónakot, így minden esetben ugyanannyi energiát használsz fel. A hegymászók néha használják a rámpa ötletét, hogy feljussanak egy meredek emelkedő tetejére. A hegymászás során az egyik oldalról a másikra cikázva gyakorlatilag létrehozzák a saját rámpájukat. A hegy kevésbé lesz meredek, de egy kicsit tovább kell gyalogolniuk, hogy felérjenek a csúcsra.

A rámpákat néha ferde síkoknak vagy ékeknek is nevezik.A fejsze feje egy ék, ami másképp működik. A fejsze kétféleképpen kényszeríti szét a fát. A nyél úgy működik, mint egy kar, amely megnöveli a kifejtett erőt. Az ék alakú penge kisebb területre koncentrálja az erőt, növelve a fára gyakorolt nyomást és széthasítva azt. A kés pengéje ugyanígy működik.

Csavarok

Fotó: A csavar spirális menete azt jelenti, hogy hosszabb ideig tart a fába fúrni, de – legalábbis elméletileg – kevesebb erőfeszítésre van szükség. A hornyok segítenek a csavarnak a helyén maradni.

A csavar a fába harap, amikor elforgatja. Gyakran olvashatunk olyan tudományos könyveket, amelyekben azt írják, hogy a csavar “olyan, mint egy körbe tekert rámpa”, ami eléggé zavaros és nehezen érthető. De képzeld el, hogy egy hangya vagy, és egy csavar aljáról akarsz felmászni a tetejére. Ha függőlegesen mászol felfelé a külső oldalon, akkor viszonylag rövid utat teszel meg, de rengeteg mászóerőre van szükséged. Ha a csavarmeneten sétálsz felfelé, körbe-körbe kanyarodva, akkor valójában egyfajta csigalépcsőn sétálsz felfelé – egy körbe-körbe tekeredő rámpán. Igen, sokkal messzebbre mész, de sokkal könnyebb. Van egy másik jó tulajdonsága is a csavarnak: mivel a fej nagyobb, mint az alatta lévő tengely, a csavar úgy működik, mint egy kerék (vagy kar): minden egyes alkalommal, amikor elforgatja a fejet, az alatta lévő élesített pont nagyobb erővel harap a fába. A kúpos (kúp alakú) kialakítás megkönnyíti a csavar behajtását.

Gépek mindenhol vannak körülöttünk!

Ez nagyjából minden, ami az egyszerű gépek tudományához tartozik.Ha egyszer megérted, hogyan működnek a gépek, mindenhol látni fogod őket. Még a tested is tele van gépekkel. A csontvázad például karok gyűjteménye! Nézz körül otthonodban, és nézd meg, hány “egyszerű gépet” tudsz még felfedezni. Meg fogsz lepődni, mennyi van belőlük!

Van valami csapda?

Emelés, vágás, darabolás, mozgatás, hajlítás – az olyan gépek, mint amilyeneket fentebb felfedeztünk, mindenféle dolgot megkönnyítenek azáltal, hogy nagyobb erőket fejtenek ki, mint amilyeneket általában a saját testeddel tudsz létrehozni. Első látásra úgy hangzik, mintha ez megnyitná az utat egy olyan gép megtervezéséhez, amely a semmiért adhat nekünk valamit – talán olyat, amely képes energiát előállítani a semmiből, vagy egy örökmozgó gépet, amely örökké működik.

A gyakorlatban a fizika törvényei szigorúak, és ha egy módon megkönnyítjük az életünket, mindig nehezebbé tesszük egy másik módon, hogy kompenzáljuk. Ezt a tudósok így mondják: “nincs ingyen ebéd”, és a fizikában ez az energia megmaradásának törvénye néven fut(leegyszerűsítve: nem tudunk energiát varázsütésre a semmiből elővarázsolni). Tehát valahányszor van egy gép, amely nagyobb erőt ad, az nem ad plusz energiát, amivel korábban nem rendelkeztél. egy csigával például a kötelek és a kerekek sokkal nagyobb emelőerőt adnak, de sokkal messzebbre kell emelned őket,így pontosan ugyanannyi energiát használsz fel, mint korábban. Csak lassabban, kisebb erőfeszítéssel használod,így könnyebbnek érzed az emelést. Ugyanígy egy lengőteke segítségével sokkal nehezebb barátodat is fel tudod emelni úgy, hogy az egyensúlyozási ponttól távolabb ülsz, mint ő, de ennek ellensúlyozására sokkal messzebbre kell mozgatnod a lábaidat. Többleterőt kapsz, de többletenergiát nem – és ez a csapda.

Művészi munka: A hintával extra emelőerőt hozhatsz létre. A kis piros ember fel tudja emelni a nagy kék embert, ha távolabb ül a forgásponttól. Ez azt jelenti, hogy nagyobb erőt tudnak emelni, dea csapda az, hogy a saját testüket sokkal nagyobb távolságra kell mozgatniuk. Ez a gép több erőt termel, de nem több energiát.