Hjul och axlar

Uppfinningen av hjulet och axeln (stången som ett hjul vänder sig runt) för cirka 5500 år sedan i Mellanöstern revolutionerade transporterna och medförde gradvis stora förändringar i samhället, men vad var det som gjorde den så speciell?Det är lättare att skjuta en vagn med en tung låda än att skjuta samma låda på marken, eftersom vagnens hjul och axlar minskar friktionen och ger hävstångseffekt. Du kan ta reda på hur i vår huvudartikel om hur hjul fungerar.

Artwork: Om du vrider på utsidan (fälgen) av ett hjul vrider axeln i mitten sig med lägre hastighet men med större kraft, så hjulet fungerar som en kraftmultiplikator. Om du istället vrider axeln (som en bil gör) blir hjulet en hastighetsmultiplikator.Axeln vrider sig bara en kort sträcka (blå pil), men hjulets hävstångseffekt gör att den yttre fälgen vrider sig mycket längre (röd pil) på samma tid. Det är så ett hjul hjälper dig att gå fortare.

Stora hjul används för att multiplicera kraften även på andra sätt.Rör har till exempel hjul som kallas stoppventiler (eller stoppventiler) monterade på dem. När du vrider på den yttre fälgen på en stoppkran vrider sig den inre axeln med mycket större kraft – så att det blir lättare att stänga röret. Styrhjul fungerar också på detta sätt. En lastbil eller buss har ofta en större ratt än en bil, eftersom det krävs mer kraft för att vrida hjulen. Det större hjulet ger föraren större inflytande.

Hjul kan multiplicera såväl avstånd och hastighet som kraft. Cyklar har stora hjul så att de går snabbare. När du trampar ger du kraft åt hjulets insida. Men hjulets yttre fälg vänder sig snabbare och täcker mer mark, så din pedalering har en mycket större effekt. Bilhjul fungerar på samma sätt.

Hjulkärror kombinerar hjul och spakar för att ge en lysande effekt. En skottkärra gör det mycket enkelt att transportera en last från en plats till en annan av två skäl. För det första fungerar dess långa ram som en hävstång, vilket gör det mycket lättare att lyfta lasten. För det andra är det lättare att skjuta lasten med hjälp av en skottkärra eftersom den enda friktionen finns mellan hjulet och axeln.Om du skulle skjuta lasten över den ojämna markytan utan att använda en skottkärra skulle friktionen vara mycket större.

Grejer

Foto: En kugghjul består av två eller flera hjul av olika storlek med tänder i kanterna för att se till att de ”griper in” (roterar tillsammans utan att glida).

Kugghjul är hjul med tänder som antingen kan öka en maskins hastighet eller dess kraft, men inte båda på samma gång. Cyklar använder kugghjul på båda sätten. Om du vill trampa uppför en backe använder du växlar för att öka kraften så att du inte behöver anstränga dig lika hårt, men haken är att de samtidigt minskar hastigheten. Om du cyklar på en rak väg kan du använda växlar för att öka din hastighet, men denna gång är haken att de minskar din kraft. Även om det inte är uppenbart bara genom att titta på dem fungerar växlar på exakt samma sätt som spakar (precis som hjul gör).Det kräver en hel del förklaringar så vi kommer inte att gå in på fler detaljer här. I stället kan du läsa allt om det i vår artikel om kugghjul.

Rullskivor

Sätt ihop två eller flera hjul och slinga ett rep runt dem flera gånger och du skapar en kraftfull lyftmaskin som kallas för en remskiva. Varje gång repet slingrar sig runt hjulen skapar du mer lyftkraft eller mekanisk fördel. Om det finns fyra hjul och repet slingrar sig runt dem fungerar remskivan som om fyra rep stödjer lasten.Du kan alltså lyfta fyra gånger så mycket, även om haken är att du måste dra repet fyra gånger längre.Läs mer i vår artikel om remskivor.

Rampor och kilar

Artwork: En yxas huvud fungerar som en ramp. När det krafter i trä splittras träet längs diagonalen. Det betyder att du kan skära i träet genom att applicera en mindre kraft över en större sträcka. Om du vill dra isär en stock med dina bara händer måste du använda en mycket större kraft (men över en mycket kortare sträcka).

Om du någonsin har hjälpt till att dra upp en båt ur havet vet du att det är lättare att göra det om det finns en ramp på stranden. Istället för att lyfta båten vertikalt, rakt upp, kan du få upp den ur havet med mycket mindre kraft om du går uppför rampen. Du använder mindre kraft, men du måste dra båten en längre sträcka, så du använder samma mängd energi i båda fallen. Bergsprängare använder ibland tanken på en ramp för att ta sig upp till toppen av en brant stigning. Genom att gå från sida till sida över sin klättring skapar de effektivt sin egen ramp. Backen blir mindre brant, men de måste gå ganska mycket längre för att nå toppen.

Rampor kallas ibland för lutande plan eller kilar.Yxans huvud är en kil som fungerar på ett annat sätt. En yxa tvingar isär trä på två sätt. Handtaget fungerar som en hävstång och förstorar kraften som du använder. Det kilformade bladet koncentrerar kraften på en mindre yta, vilket ökar trycket på träet och splittrar det. Bladet på en kniv fungerar på samma sätt.

Skruvar

Foto: Den spiralformade gängan på en skruv innebär att det tar längre tid att driva in den i träet, men – åtminstone teoretiskt sett – krävs det mindre ansträngning. Rillorna hjälper också skruven att hålla sig på plats.

En skruv biter sig fast i träet när du vänder på den. Man läser ofta vetenskapsböcker där det står att en skruv är ”som en ramp som är lindad i en cirkel”, vilket är ganska förvirrande och svårt att förstå. Men tänk dig att du är en myra och att du vill klättra från botten av en skruv till toppen. Om du klättrar vertikalt uppåt på utsidan går du en relativt kort sträcka, men det krävs en enormt stor klättringskraft. Om du går uppför skruvtråden, som slingrar sig runt och runt, går du egentligen uppför en slags spiraltrappa – en ramp som är lindad runt i en cirkel. Ja, du går mycket längre, men det är mycket lättare. Det finns en annan bra sak med en skruv: eftersom huvudet är större än skaftet under det fungerar en skruv som ett hjul (eller en hävstång): varje gång du vrider på huvudet biter den vassa spetsen under det sig fast i träet med större kraft. Den avsmalnande (koniska) utformningen gör det lättare att driva in skruven.

Maskiner finns överallt omkring oss!

Det är i stort sett allt som finns i vetenskapen om enkla maskiner.När du väl förstår hur maskiner fungerar börjar du se dem överallt. Till och med din kropp är full av maskiner. Ditt skelett är till exempel en samling spakar! Ta en titt i ditt hem och se hur många fler ”enkla maskiner” du kan hitta. Du kommer att bli förvånad över hur många det finns!

Är det en hake?

Hissa, skära, hugga, flytta, böja – maskiner som de vi har utforskat ovan gör det lättare att göra alla möjliga saker genom att skapa större krafter än vad du normalt kan skapa med din egen kropp. Vid första anblicken låter det som om det skulle kunna öppna vägen för att konstruera en maskin som kan ge oss något för ingenting – kanske en som kan skapa energi ur tomma intet, eller en evighetsmaskin som går i evighet.

I praktiken är fysikens lagar strikta, och om du gör livet lättare för dig själv på ett sätt gör du det alltid svårare på ett annat för att kompensera. Det är vetenskapsmännens sätt att säga ”det finns ingen gratis lunch”, och inom fysiken kallas det för lagen om energins bevarande (enkelt uttryckt: vi kan inte få energi att dyka upp magiskt från ingenstans). Så när du har en maskin som ger dig mer kraft, ger den dig inte extra energi som du inte hade tidigare. med en remskiva, till exempel, ger rep och hjul dig mycket mer lyftkraft, men du måste lyfta dem mycket längre,så du använder exakt samma mängd energi som du skulle ha gjort tidigare. Du använder den bara långsammare, med mindre ansträngning, så lyftet känns lättare. På samma sätt kan du använda en gungbräda för att lyfta en mycket tyngre vän genom att sitta längre bort från balanspunkten än vad de gör, men du måste röra dina ben mycket längre för att kompensera detta. Du får extra kraft, men ingen extra energi – och det är det som är haken.

Artwork: Med en gungbräda kan du skapa extra lyftkraft. Den lilla röda personen kan lyfta den stora blå personen genom att sitta längre bort från vridpunkten. Det innebär att de kan lyfta en större kraft, men haken är att de måste förflytta sin egen kropp över en mycket större sträcka. Denna maskin ger mer kraft, men inte mer energi.