Roți și osii

Inventarea roții și a osiei (tija în jurul căreia se învârte o roată), în urmă cu aproximativ 5500 de ani în Orientul Mijlociu, a revoluționat transportul și a adus treptat schimbări uriașe în societate, dar ce a făcut-o atât de specială?Este mai ușor să împingi un cărucior încărcat cu o cutie grea decât să împingi aceeași cutie pe sol, deoarece roțile și osiile căruciorului reduc frecarea și oferă pârghie. Puteți afla cum în articolul nostru principal despre cum funcționează roțile.

Opera de artă: O roată poate funcționa fie ca un multiplicator de forță, fie ca un multiplicator de viteză (dar nu ambele în același timp). dacă rotiți partea exterioară (janta) a unei roți, axul din centru se rotește cu mai puțină viteză, dar cu mai multă forță, astfel încât roata funcționează ca un multiplicator de forță. Dacă în schimb rotiți axa (așa cum face o mașină), roata devine un multiplicator de viteză.Axa se rotește doar pe o distanță scurtă (săgeată albastră), dar efectul de pârghie al roții face ca janta exterioară să se rotească mult mai mult (săgeată roșie) în același timp. Acesta este modul în care o roată vă ajută să mergeți mai repede.

Roțile mari sunt folosite pentru a multiplica forța și în alte moduri.Țevile, de exemplu, au montate pe ele roți numite robinete (sau supape de oprire). Când rotiți janta exterioară a unui robinet de închidere, axa interioară se rotește cu o forță mult mai mare – astfel încât țeava este mai ușor de închis. Roțile de direcție funcționează și ele în acest fel. Un camion sau un autobuz are adesea un volan mai mare decât o mașină, pentru că este nevoie de o forță mai mare pentru a-i roti roțile. Roata mai mare îi oferă șoferului mai multă pârghie.

Roțile pot multiplica distanța și viteza, precum și forța. Bicicletele au roți mari pentru a merge mai repede. Când pedalați, acționați interiorul roții. Dar janta exterioară a roții se învârte mai repede și acoperă mai mult teren, astfel încât pedalarea ta are un efect mult mai mare. Roțile mașinilor funcționează în același mod.

Cărucioarele cu roți combină roțile și pârghiile pentru un efect strălucitor. O roabă cu roți face foarte ușor să transporți o încărcătură dintr-un loc în altul – din două motive. În primul rând, cadrul său lung acționează ca o pârghie, astfel încât încărcătura este mult mai ușor de ridicat. În al doilea rând, este mai ușor să împingi încărcătura folosind o roabă, deoarece singura frecare este între roată și axă.Dacă ai împinge încărcătura pe suprafața aspră a solului fără să folosești o roabă, frecarea ar fi mult mai mare.

Mecanisme

Foto: Un angrenaj este realizat din două sau mai multe roți de dimensiuni diferite cu dinți tăiați în marginile lor pentru a se asigura că acestea „se angrenează” (se rotesc împreună fără să alunece).

Angerenajele sunt roți cu dinți care pot crește fie viteza unei mașini, fie forța acesteia,dar nu ambele în același timp. Bicicletele folosesc angrenaje în ambele moduri. Dacă vrei să pedalezi pe un deal,folosești angrenajele pentru a-ți mări forța, astfel încât să nu mai trebuiască să muncești atât de mult, deși, în același timp, piedica este că îți reduc viteza. Dacă pedalezi pe un drum drept, poți folosi angrenajele pentru a-ți mări viteza, dar de data aceasta piedica este că îți vor reduce forța. Deși nu este evident doar uitându-te la ele, angrenajele funcționează exact în același mod ca și pârghiile (la fel ca și roțile).Acest lucru necesită destul de multe explicații, așa că nu vom intra în mai multe detalii aici. În schimb, puteți citi totul despre asta în articolul nostru despre angrenaje.

Pulsiile

Puneți două sau mai multe roți împreună și înfășurați o frânghie în jurul lor de mai multe ori și veți crea o mașină de ridicare puternică numită scripete. De fiecare dată când frânghia se înfășoară în jurul roților, creați mai multă putere de ridicare sauun avantaj mecanic. Dacă există patru roți și frânghia se înfășoară în jurul lor, scripetele funcționează ca și cum patru frânghii ar susține sarcina.Astfel, puteți ridica de patru ori mai mult, deși șmecheria este că trebuie să trageți frânghia de patru ori mai departe.Citiți mai multe în articolul nostru despre scripeți.

Rampe și pene

Opera de artă: Capul unui topor funcționează ca o rampă. Atunci când se potențează în lemn, lemnul se despică de-a lungul diagonalei. Asta înseamnă că puteți tăia lemnul prin aplicarea unei forțe mai mici pe o distanță mai mare. Dacă ați vrea să desfaceți un buștean cu mâinile goale, ar trebui să aplicați o forță mult mai mare (deși pe o distanță mult mai scurtă).

Dacă ați ajutat vreodată la scoaterea unei bărci din mare, știți că este mai ușor să o faceți dacă există o rampă pe mal. În loc să ridicați barca pe verticală,direct în sus, o puteți scoate din mare cu mult mai puțină forță dacă urcați pe rampă. Folosești mai puțină forță, dar trebuie să tragi barca pe o distanță mai mare – deci folosești aceeași cantitate de energie în fiecare caz. Cei care merg pe dealuri folosesc uneori ideea de rampă pentru a ajunge în vârful unei urcări abrupte. Mergând cu zig-zagul dintr-o parte în alta de-a lungul cățărării, ei își creează efectiv propria rampă. Dealul devine mai puțin abrupt, dar trebuie să meargă un pic mai mult pentru a ajunge în vârf.

Rampele sunt uneori cunoscute sub numele de planuri înclinate sau pene.Capul unui topor este o pană care funcționează într-un mod diferit. Un topor forțează lemnul să se despartă în două moduri. Mânerul funcționează ca o pârghie, amplificând forța pe care o aplicați. Lama în formă de pană concentrează forța pe o suprafață mai mică, mărind presiunea asupra lemnului și spărgându-l în bucăți. Lama unui cuțit funcționează în același mod.

Șuruburi

Foto: Filetul spiralat al unui șurub înseamnă că este nevoie de mai mult timp pentru a-l înfige în lemn, dar – cel puțin teoretic – aveți nevoie de mai puțin efort. Canelurile ajută, de asemenea, șurubul să rămână în poziție.

Un șurub mușcă în lemn atunci când îl rotiți. Citești adesea cărți de știință care spun că un șurub este „ca o rampă înfășurată în cerc”, ceea ce este destul de confuz și greu de înțeles. Dar imaginează-ți că ești o furnică și că vrei să urci de la baza unui șurub până în vârf. Dacă urci pe verticală pe partea exterioară, parcurgi o distanță relativ scurtă, dar este nevoie de o forță de urcare extrem de mare. Dacă urci pe firul șurubului, înfășurându-te de jur împrejur, urci de fapt pe un fel de scară în spirală – o rampă înfășurată în cerc. Da, mergi mult mai departe, dar este mult mai ușor. Mai există și un alt lucru bun la un șurub: deoarece capul este mai mare decât arborele de sub el, un șurub funcționează ca o roată (sau ca o pârghie): de fiecare dată când rotești capul, vârful ascuțit de dedesubt mușcă în lemn cu o forță mai mare. Designul conic (în formă de con) ușurează introducerea șurubului.

Mașinile sunt peste tot în jurul nostru!

Asta este cam tot ce ține de știința mașinilor simple.Odată ce înțelegi cum funcționează mașinile, începi să le vezi peste tot. Chiar și corpul tău este plin de mașini. Scheletul tău, de exemplu, este o colecție de pârghii! Aruncați o privire în jurul casei dvs. și vedeți câte „mașini simple” mai puteți identifica. Veți fi uimiți de câte sunt!

Există o capcană?

Suspendarea, tăierea, tăierea, tăierea, deplasarea, îndoirea – mașinile precum cele pe care le-am explorat mai sus facilitează realizarea a tot felul de lucruri prin crearea unor forțe mai mari decât cele pe care le puteți crea în mod normal cu propriul corp. La prima vedere,asta sună ca și cum ar putea deschide calea spre proiectarea unei mașini care să ne dea ceva în schimbul a nimic – poate una care să poată produce energie din aer sau o mașină cu mișcare perpetuă care să funcționeze la nesfârșit.

În practică, legile fizicii sunt stricte și dacă îți ușurezi viața într-un fel,întotdeauna o faci mai dificilă în alt fel pentru a compensa. Acesta este modul oamenilor de știință de a spune „nu există un prânz gratuit” și, în fizică, poartă numele de legea conservării energiei(simplu spus: nu putem face ca energia să apară ca prin magie de nicăieri). Așadar, ori de câte ori ai o mașină care îți oferă o forță mai mare, aceasta nu îți oferă o energie suplimentară pe care nu o aveai înainte.Cu un scripete, de exemplu, frânghiile și roțile îți oferă o forță de ridicare mult mai mare, dar trebuie să le ridici mult mai departe,așa că folosești exact aceeași cantitate de energie pe care ai fi folosit-o înainte. Doar că o folosești mai încet, cu mai puțin efort,astfel încât ridicarea pare mai ușoară. În același mod,poți folosi un balansoar pentru a ridica un prieten mult mai greu,stând mai departe de punctul de echilibru decât el,dar trebuie să-ți miști picioarele mult mai departe pentru a compensa. Obții o forță în plus, dar nu și energie în plus – și asta este capcana.

Lucrare de artă: Un balansoar vă permite să creați o forță de ridicare suplimentară. Persoana mică și roșiepoate ridica persoana mare și albastră stând mai departe de punctul de pivot. Acest lucru înseamnă că poate ridica o forță mai mare, darprinderea este că trebuie să își deplaseze propriul corp pe o distanță mult mai mare. Această mașină produce mai multă forță, dar nu mai multă energie.

.