Wielen en assen

De uitvinding van het wiel en de as (de stang waar een wiel omheen draait), zo’n 5500 jaar geleden in het Midden-Oosten, betekende een revolutie in het vervoer en bracht geleidelijk grote veranderingen in de samenleving, maar wat maakte het zo bijzonder? Het is gemakkelijker om een kar te duwen die beladen is met een zware doos dan om dezelfde doos over de grond te duwen, omdat de wielen en assen van de kar de wrijving verminderen en een hefboomeffect geven. Hoe dat werkt, kunt u lezen in ons hoofdartikel over de werking van wielen.

Kunstwerk: Een wiel kan werken als een krachtvermeerderaar of als een snelheidsvermeerderaar (maar niet beide tegelijk).Als je aan de buitenkant (velg) van een wiel draait, draait de as in het midden met minder snelheid maar met meer kracht, dus werkt het wiel als een krachtvermeerderaar. Als je in plaats daarvan aan de as draait (zoals een auto doet), wordt het wiel een snelheidsvermenigvuldiger. De as draait maar een klein stukje (blauwe pijl), maar door de hefboomwerking van het wiel draait de buitenste velg in dezelfde tijd veel verder (rode pijl). Zo helpt een wiel je sneller te gaan.

Grote wielen worden ook op andere manieren gebruikt om kracht te vermenigvuldigen.Leidingen, bijvoorbeeld, hebben wielen die stopkranen (of afsluitkleppen) worden genoemd. Wanneer je de buitenste rand van een afsluitkraan draait, draait de binnenste as met veel meer kracht, zodat de pijp makkelijker te sluiten is. Stuurwielen werken ook op deze manier. Een vrachtwagen of een bus heeft vaak een groter stuur dan een auto, omdat er meer kracht nodig is om de wielen te draaien. Het grotere wiel geeft de bestuurder meer macht.

Wielen kunnen zowel afstand en snelheid als kracht vermenigvuldigen. Fietsen hebben grote wielen zodat ze sneller gaan. Als je trapt, geef je kracht aan de binnenkant van het wiel. Maar de buitenrand van het wiel draait sneller rond en bestrijkt meer grond, zodat je pedaling een veel groter effect heeft. Autowielen werken op dezelfde manier.

Wieltruiwagens combineren wielen en hefbomen tot een briljant effect. Een kruiwagen maakt het heel gemakkelijk om een lading van de ene plaats naar de andere te vervoeren, en wel om twee redenen. Ten eerste werkt het lange frame als een hefboom, zodat de lading veel makkelijker op te tillen is. Ten tweede is het gemakkelijker om de lading met een kruiwagen te duwen, omdat de enige wrijving tussen het wiel en de as zit. Als je de lading over het ruwe oppervlak van de grond zou duwen zonder een kruiwagen te gebruiken, zou de wrijving veel groter zijn.

Gears

Photo: Een tandwiel is gemaakt van twee of meer wielen van verschillende grootte met tanden die in de randen zijn uitgesneden om ervoor te zorgen dat ze “in elkaar grijpen” (in elkaar draaien zonder te slippen).

Tandwielen zijn wielen met tanden die de snelheid van een machine kunnen verhogen of de kracht ervan, maar niet beide tegelijk. Fietsen gebruiken tandwielen op beide manieren. Als je een heuvel op wilt trappen, gebruik je versnellingen om je kracht te vergroten zodat je niet zo hard hoeft te werken, hoewel het addertje onder het gras is dat ze tegelijkertijd je snelheid verminderen. Als je over een rechte weg raast, kun je versnellingen gebruiken om je snelheid te verhogen, maar het addertje onder het gras is dat ze tegelijkertijd je kracht verminderen. Hoewel het niet duidelijk is als je er alleen maar naar kijkt, werken versnellingen op precies dezelfde manier als hefbomen (net zoals wielen dat doen). Dat vergt nogal wat uitleg, dus we gaan hier niet verder op de details in. In plaats daarvan kun je er alles over lezen in ons artikel over tandwielen.

Poelies

Plaats twee of meer wielen bij elkaar en lus er een aantal malen een touw omheen en je creëert een krachtige hefmachine die een katrol wordt genoemd. Telkens als het touw zich om de wielen wikkelt, creëer je meer hefkracht of mechanisch voordeel. Als er vier wielen zijn en het touw loopt er omheen, dan werkt de katrol alsof vier touwen de last ondersteunen.Je kunt dus vier keer zoveel tillen, hoewel het addertje onder het gras is dat je het touw vier keer verder moet trekken.Lees meer in ons artikel over katrollen.

Ramps and wedges

Artwork: De kop van een bijl werkt als een helling. Als hij in hout slaat, splijt het hout langs de diagonaal uit elkaar. Dat betekent dat je het hout kunt doorhakken door een kleinere kracht over een grotere afstand uit te oefenen. Als je een boomstam met je blote handen uit elkaar wilt trekken, moet je veel meer kracht zetten (maar over een kortere afstand).

Als je ooit een boot uit zee hebt helpen trekken, weet je dat het makkelijker is als er een helling op de oever ligt. In plaats van de boot verticaal, recht omhoog te tillen, kunt u hem met veel minder kracht uit zee halen als u de helling opgaat. Je gebruikt minder kracht, maar je moet de boot over een langere afstand trekken, dus je gebruikt in beide gevallen evenveel energie. Bergbeklimmers gebruiken soms het idee van een helling om de top van een steile klim te bereiken. Door zigzaggend van links naar rechts over hun klim te gaan, creëren ze in feite hun eigen helling. De helling wordt minder steil, maar ze moeten een stuk verder lopen om boven te komen.

Ladders worden ook wel hellende vlakken of wiggen genoemd. De kop van een bijl is een wig die op een andere manier werkt. Een bijl dwingt hout uit elkaar op twee manieren. Het handvat werkt als een hefboom, die de kracht die je uitoefent vergroot. Het wigvormige blad concentreert de kracht over een kleiner gebied, waardoor de druk op het hout toeneemt en het uit elkaar splijt. Het lemmet van een mes werkt op dezelfde manier.

schroeven

Foto: De spiraalvormige schroefdraad op een schroef betekent dat het langer duurt om hem in hout te draaien, maar – theoretisch althans – dat je minder moeite hoeft te doen. De groeven helpen ook om de schroef op zijn plaats te houden.

Een schroef bijt zich vast in hout als je hem ronddraait. In wetenschapsboeken lees je vaak dat een schroef “als een schans in een cirkel” is, wat nogal verwarrend en moeilijk te begrijpen is. Maar stel je voor dat je een mier bent en je wilt van de onderkant van een schroef naar de top klimmen. Als je verticaal langs de buitenkant omhoog klimt, leg je een relatief korte afstand af, maar het vergt ontzettend veel klimkracht. Als je langs de schroefdraad omhoog loopt, rond en rond kronkelend, loop je eigenlijk een soort wenteltrap op – een helling die in een cirkel rondloopt. Ja, je loopt veel verder, maar het is een stuk makkelijker. Er is nog iets goeds aan een schroef: omdat de kop groter is dan de schacht eronder, werkt een schroef als een wiel (of hefboom): elke keer dat je de kop draait, bijt de geslepen punt eronder zich met grotere kracht vast in het hout. Het taps toelopende (kegelvormige) ontwerp maakt het gemakkelijker om de schroef erin te draaien.

Machines zijn overal om ons heen!

Dat is zo’n beetje alles wat er is aan de wetenschap van eenvoudige machines.Als je eenmaal begrijpt hoe machines werken, begin je ze overal te zien. Zelfs je lichaam zit vol met machines. Je skelet, bijvoorbeeld, is een verzameling van hefbomen! Kijk eens rond in je huis en zie hoeveel meer “eenvoudige machines” je kunt vinden. Je zult verbaasd zijn hoeveel het er zijn!

Is er een addertje onder het gras?

Hijsen, snijden, hakken, verplaatsen, buigen – machines zoals hierboven maken het makkelijker om van alles te doen door krachten groter te maken dan je normaal met je eigen lichaam kunt doen. Op het eerste gezicht klinkt dat alsof het de weg opent naar het ontwerpen van een machine die ons iets voor niets kan geven – misschien een die energie uit het niets kan maken, of een perpetuum mobile machine die eeuwig door blijft draaien.

In de praktijk zijn de wetten van de fysica streng en als je het leven voor jezelf op de ene manier gemakkelijker maakt, maak je het altijd moeilijker op een andere manier om te compenseren. Dat is de manier van de wetenschapper om te zeggen “gratis lunch bestaat niet”, en in de natuurkunde heet het de wet van behoud van energie (eenvoudig gezegd: we kunnen energie niet op magische wijze uit het niets laten verschijnen). Dus als je een machine hebt die je meer kracht geeft, geeft hij je geen extra energie die je eerst niet had. Met een katrol bijvoorbeeld, geven touwen en wielen je veel meer hefkracht, maar je moet ze veel verder hijsen, dus je gebruikt precies dezelfde hoeveelheid energie als je eerst zou hebben gedaan. Je gebruikt het alleen langzamer, met minder inspanning, zodat het tillen gemakkelijker aanvoelt. Op dezelfde manier kun je met een wip een veel zwaardere vriend optillen door verder van het evenwichtspunt te zitten dan hij, maar je moet je benen veel verder bewegen om te compenseren. Je krijgt extra kracht, maar geen extra energie, en dat is het addertje onder het gras.

Kunstwerk: Met een wip kun je extra hefkracht creëren. De kleine rode persoon kan de grote blauwe persoon optillen door verder van het scharnierpunt te gaan zitten. Dat betekent dat ze een grotere kracht kunnen tillen, maar het addertje onder het gras is dat ze hun eigen lichaam over een veel grotere afstand moeten verplaatsen. Deze machine levert meer kracht, maar niet meer energie.