Koła i osie

Wynalezienie koła i osi (pręta, wokół którego obraca się koło), około 5500 lat temu na Bliskim Wschodzie, zrewolucjonizowało transport i stopniowo przyniosło ogromne zmiany w społeczeństwie, ale co sprawiło, że było to tak wyjątkowe? Łatwiej jest pchać wózek załadowany ciężkim pudłem niż pchać to samo pudło po ziemi, ponieważ koła i osie wózka zmniejszają tarcie i zapewniają dźwignię. Możesz dowiedzieć się, jak to zrobić w naszym głównym artykule o tym, jak działają koła.

Artykuły: Koło może działać albo jako mnożnik siły, albo jako mnożnik prędkości (ale nie jako oba naraz).Jeśli obrócisz zewnętrzną stronę (obręcz) koła, oś w centrum obraca się z mniejszą prędkością, ale większą siłą, więc koło działa jako mnożnik siły. Jeśli obrócisz oś zamiast niej (jak w samochodzie), koło staje się mnożnikiem prędkości. Oś obraca się tylko na krótką odległość (niebieska strzałka), ale dźwignia koła oznacza, że zewnętrzna obręcz obraca się znacznie dalej (czerwona strzałka) w tym samym czasie. W ten sposób koło pomaga ci jechać szybciej.

Duże koła są używane do zwielokrotnienia siły również w inny sposób.Rury, na przykład, mają koła zwane stopcocks (lub zawory stop) zamontowane do nich. Kiedy obracasz zewnętrzną obręcz korka, wewnętrzna oś obraca się z dużo większą siłą – dzięki temu rurę łatwiej jest zamknąć. Koła kierownicy również działają w ten sposób. Ciężarówka lub autobus często mają większe koło kierownicy niż samochód, ponieważ do skręcenia ich kół potrzeba więcej siły. The bigger wheel givesthe driver more leverage.

Wheels can multiply distance and speed as well as force. Rowery mają duże koła, więc jeżdżą szybciej. Kiedy pedałujesz, napędzasz wewnętrzną część koła. Ale zewnętrzna obręcz koła obraca się szybciej i pokrywa więcej terenu, więc twoje pedałowanie ma znacznie większy efekt. Koła samochodowe działają w ten sam sposób.

Taczki łączą koła i dźwignie z genialnym skutkiem. Taczka sprawia, że naprawdę łatwo jest transportować ładunek z jednego miejsca na drugie z dwóch powodów. Po pierwsze, jej długa rama działa jak dźwignia, dzięki czemu ładunek jest o wiele łatwiejszy do podniesienia. Po drugie, łatwiej jest pchać ładunek używając taczki, ponieważ jedyne tarcie jest pomiędzy kołem a osią.Jeśli pchasz ładunek po szorstkiej powierzchni ziemi bez użycia taczki, tarcie byłoby znacznie większe.

Gears

Foto: Przekładnia jest wykonana z dwóch lub więcej kół o różnych rozmiarach z zębami wyciętymi na ich krawędziach, aby zapewnić, że „zazębiają się” (obracają się razem bez poślizgu).

Przekładnie są kołami z zębami, które mogą albo zwiększyć prędkość maszyny, albo jej siłę, ale nie oba jednocześnie. Rowery używają przekładni w obu kierunkach. Jeśli chcesz pedałować pod górę, używasz przełożeń, aby zwiększyć swoją siłę, więc nie musisz pracować tak ciężko, chociaż wadą jest to, że jednocześnie zmniejszają twoją prędkość. Jeśli ścigasz się po prostej drodze, możesz użyć biegów, aby zwiększyć swoją prędkość, ale tym razem haczyk polega na tym, że zmniejszą one twoją siłę. Chociaż nie jest to oczywiste patrząc na nie, biegi działają w dokładnie taki sam sposób jak dźwignie (tak jak koła).To wymaga sporo wyjaśnień, więc nie będziemy tutaj wchodzić w szczegóły. Zamiast tego, możesz przeczytać wszystko o tym w naszym artykule o kołach zębatych.

Koła pasowe

Połącz dwa lub więcej kół razem i zapętl linę wokół nich kilka razy, a stworzysz potężną maszynę podnoszącą zwaną kołem pasowym. Za każdym razem, gdy lina owija się wokół kół, tworzysz większą siłę podnoszenia lub przewagę mechaniczną. Jeśli są cztery koła, a lina owija się wokół nich, koło pasowe działa tak, jakby cztery liny podtrzymywały ładunek.Możesz więc podnieść cztery razy więcej, choć haczyk polega na tym, że musisz pociągnąć linę cztery razy dalej.Przeczytaj więcej w naszym artykule o kołach pasowych.

Rampy i kliny

Artykuły: Główka siekiery działa jak rampa. Kiedy wbija się w drewno, rozpada się ono wzdłuż przekątnej. Oznacza to, że możesz ciąć drewno przykładając mniejszą siłę na większą odległość. Jeśli chciałbyś oderwać kłodę gołymi rękami, musiałbyś przyłożyć znacznie większą siłę (choć na znacznie krótszym dystansie).

Jeśli kiedykolwiek pomagałeś wyciągnąć łódź z morza, będziesz wiedział, że łatwiej to zrobić, jeśli na brzegu jest rampa. Zamiast podnosić łódź pionowo, prosto w górę, możesz wyciągnąć ją z morza z dużo mniejszą siłą, jeśli pójdziesz w górę po rampie. Używasz mniej siły, ale musisz ciągnąć łódź na większą odległość, więc w każdym przypadku zużywasz tyle samo energii. Osoby chodzące po górach czasami używają idei rampy, aby dostać się na szczyt stromej wspinaczki. Byzig-zagging z boku na bok w poprzek ich wspinaczki, skutecznie tworzą swoją własną rampę. Wzgórze staje się mniej strome, ale muszą iść jeszcze trochę dalej, aby dostać się na szczyt.

Rampy są czasami znane jako pochyłe płaszczyzny lub kliny.Główka siekiery jest klinem działającym w inny sposób. Siekiera rozbija drewno na dwa sposoby. Trzonek działa jak dźwignia, powiększając siłę, którą przykładamy. Klinowate ostrze koncentruje siłę na mniejszej powierzchni, zwiększając nacisk na drewno i rozszczepiając je. Ostrze noża działa w ten sam sposób.

Śruby

Fot: Spiralny gwint na wkręcie oznacza, że dłużej trwa wbijanie go w drewno, ale – teoretycznie przynajmniej – potrzeba mniej siły. Rowki pomagają również wkrętowi pozostać na swoim miejscu.

Wkręt wgryza się w drewno, gdy się go obraca. Często czyta się książki naukowe, które mówią, że śruba jest „jak rampa zawinięta w koło”, co jest dość mylące i trudne do zrozumienia. Ale wyobraź sobie, że jesteś mrówką i chcesz wspiąć się z dołu śruby na górę. Jeśli wspinasz się pionowo w górę po zewnętrznej stronie, pokonujesz stosunkowo niewielką odległość, ale wymaga to ogromnej siły wspinania. Jeśli idziesz w górę gwintu śruby, wijąc się wokół i wokół, naprawdę idziesz w górę rodzaju spiralnych schodów – rampy zawiniętej w koło. Tak, idziesz o wiele dalej, ale jest to o wiele łatwiejsze. Jest jeszcze jedna dobra rzecz w śrubie: ponieważ łeb jest większy niż znajdujący się pod nim trzon, śruba działa jak koło (lub dźwignia): za każdym razem, gdy obracasz łeb, zaostrzony punkt pod nim z większą siłą wgryza się w drewno. Zwężająca się (stożkowa) konstrukcja ułatwia wbijanie śruby.

Maszyny są wszędzie wokół nas!

To całkiem sporo, jeśli chodzi o naukę o maszynach prostych.Kiedy już zrozumiesz, jak działają maszyny, zaczniesz widzieć je wszędzie. Nawet twoje ciało jest naszpikowane maszynami. Na przykład twój szkielet to zbiór dźwigni! Rozejrzyj się po swoim domu i zobacz, ile jeszcze „maszyn prostych” możesz dostrzec. Będziesz zaskoczony, jak wiele ich jest!

Czy jest jakiś haczyk?

Podnoszenie, cięcie, rąbanie, przesuwanie, zginanie – maszyny, takie jak te, które omówiliśmy powyżej, ułatwiają wykonywanie wszelkiego rodzaju czynności dzięki siłom większym niż te, które możesz normalnie wytworzyć własnym ciałem. Na pierwszy rzut oka brzmi to tak, jakby mogło otworzyć drogę do zaprojektowania maszyny, która może dać nam coś za nic – może takiej, która potrafi wytworzyć energię z powietrza, albo perpetuum mobile, które działa bez końca.

W praktyce prawa fizyki są ścisłe i jeśli ułatwisz sobie życie w jeden sposób, zawsze utrudnisz je w inny, aby to zrekompensować. To jest sposób naukowców na powiedzenie „nie ma czegoś takiego jak darmowy obiad”, a w fizyce, to przechodzi przez nazwę prawa zachowania energii (po prostu: nie możemy sprawić, że energia pojawi się magicznie znikąd). Tak więc za każdym razem, gdy masz maszynę, która daje ci większą siłę, nie daje ci ona dodatkowej energii, której nie miałeś wcześniej. Na przykład z kołem pasowym, liny i koła dają ci dużo większą siłę podnoszenia, ale musisz je podnieść dużo dalej, więc używasz dokładnie takiej samej ilości energii, jak przedtem. Po prostu używasz jej wolniej, z mniejszym wysiłkiem, więc podnoszenie wydaje się łatwiejsze. W ten sam sposób, możesz użyć huśtawki, aby podnieść dużo cięższego przyjaciela, siedząc dalej od punktu równowagi niż oni, ale musisz poruszać nogami dużo dalej, aby to zrekompensować. Otrzymujesz dodatkową siłę, ale nie masz dodatkowej energii – i to jest właśnie haczyk.

Praca artystyczna: Huśtawka pozwala na stworzenie dodatkowej siły nośnej. Mała czerwona osoba może podnieść dużą niebieską osobę siedząc dalej od punktu obrotu. Oznacza to, że może podnieść większą siłę, ale haczyk polega na tym, że musi przenieść własne ciało na znacznie większą odległość. Ta maszyna wytwarza więcej siły, ale nie więcej energii.

.