على مر التاريخ ، طور البشر العديد من الأجهزة لتسهيل العمل. تُعرف أكثرها شهرة بـ "الآلات الست البسيطة": العجلة والمحور والرافعة والطائرة المائلة والبكرة والمسمار والوتد ، على الرغم من أن الثلاثة الأخيرة هي في الواقع مجرد امتدادات أو مجموعات من الأولى ثلاثة.
نظرًا لتعريف العمل على أنه قوة تعمل على شيء ما في اتجاه الحركة ، فإن الآلة تجعل العمل أسهل من خلال إنجاز واحدة أو أكثر من الوظائف التالية ، وفقًا لمختبر جيفرسون:
- نقل القوة من مكان إلى آخر ،
- تغيير اتجاه القوة ،
- زيادة حجم القوة ، أو
- زيادة مسافة أو سرعة القوة.
الآلات البسيطة عبارة عن أجهزة بدون أجزاء متحركة أو قليلة جدًا مما يسهل العمل. تعد العديد من الأدوات المعقدة اليوم مجرد مجموعات أو أشكال أكثر تعقيدًا من الآلات الستة البسيطة ، وفقًا لجامعة كولورادو في بولدر. على سبيل المثال ، قد نعلق مقبضًا طويلًا بعمود لصنع الرافعة ، أو نستخدم كتلة ومعالجًا لسحب الحمل فوق المنحدر. على الرغم من أن هذه الآلات قد تبدو بسيطة ، إلا أنها تستمر في تزويدنا بالوسائل للقيام بأشياء كثيرة لا يمكننا القيام بها بدونها.
العجلة والمحور
تعتبر العجلة واحدة من أهم الاختراعات في تاريخ العالم. كتب ناتالي وولتشوفر في مقالة العلوم الحية بعنوان "أهم 10 اختراعات غيرت العالم": "قبل اختراع العجلة عام 3500 قبل الميلاد ، كان البشر مقيدون بشدة في كمية الأشياء التي يمكننا نقلها عبر الأرض ، وإلى أي مدى". "سهّلت العربات ذات العجلات الزراعة والتجارة من خلال تمكين نقل البضائع من وإلى الأسواق ، بالإضافة إلى تخفيف أعباء الأشخاص الذين يسافرون مسافات بعيدة."
تقلل العجلة بشكل كبير من الاحتكاك المصادف عند تحريك جسم فوق سطح. وفقًا لجامعة تينيسي ، "إذا وضعت خزانة الملفات الخاصة بك على عربة صغيرة ذات عجلات ، يمكنك تقليل القوة التي تحتاج إلى تطبيقها لتحريك الخزانة بسرعة ثابتة".
في كتابه "العلوم القديمة: عصور ما قبل التاريخ - 500 ميلادي" (غاريث ستيفنز ، 2010) ، كتب تشارلي صامويلز: "في أجزاء من العالم ، تم نقل أشياء ثقيلة مثل الصخور والقوارب باستخدام بكرات خشبية. مع تقدم الكائن إلى الأمام ، بكرات تم أخذها من الخلف واستبدالها في الأمام ". كانت هذه الخطوة الأولى في تطوير العجلة.
كان الابتكار العظيم ، على الرغم من ذلك ، في تركيب عجلة على محور. يمكن توصيل العجلة بمحور مدعوم بمحمل ، أو يمكن جعله يدور بحرية حول المحور. هذا أدى إلى تطوير عربات وعربات ومركبات. وفقًا لسامويلز ، يستخدم علماء الآثار تطوير عجلة تدور على محور كمؤشر لحضارة متقدمة نسبيًا. أقرب دليل على عجلات على المحاور هو من حوالي 3200 قبل الميلاد. من قبل السومريين. اخترع الصينيون العجلة بشكل مستقل في 2800 قبل الميلاد.
مضاعفات القوة
بالإضافة إلى تقليل الاحتكاك ، يمكن أن تعمل العجلة والمحور أيضًا كمضاعف قوة ، وفقًا لـ Science Quest من Wiley. إذا كانت العجلة متصلة بمحور ، واستخدمت القوة لتدوير العجلة ، فإن قوة الدوران ، أو عزم الدوران ، على المحور أكبر بكثير من القوة المطبقة على حافة العجلة. بدلاً من ذلك ، يمكن إرفاق مقبض طويل بالمحور لتحقيق تأثير مماثل.
تساعد الآلات الخمس الأخرى البشر على زيادة و / أو إعادة توجيه القوة المطبقة على الجسم. في كتابهم "تحريك الأشياء الكبيرة" (حان الوقت ، 2009) ، كتبت جانيت ل. كولودنر ومؤلفوها المشاركون ، "توفر الآلات ميزة ميكانيكية للمساعدة في تحريك الأشياء. الميزة الميكانيكية هي المفاضلة بين القوة والمسافة. " في المناقشة التالية للآلات البسيطة التي تزيد من القوة المطبقة على مدخلاتها ، سنهمل قوة الاحتكاك ، لأنه في معظم هذه الحالات ، تكون قوة الاحتكاك صغيرة جدًا مقارنة بقوى المدخلات والمخرجات المعنية.
عندما يتم تطبيق القوة على مسافة ، فإنها تنتج العمل. رياضيا ، يتم التعبير عن هذا على النحو W = F × D. على سبيل المثال ، لرفع كائن ، يجب علينا القيام بعمل للتغلب على القوة بسبب الجاذبية وتحريك الجسم إلى أعلى. لرفع جسم أثقل مرتين ، يستغرق الأمر ضعف العمل لرفعه بنفس المسافة. يستغرق الأمر أيضًا ضعف الجهد لرفع الشيء نفسه مرتين. كما هو موضح في الرياضيات ، فإن الفائدة الرئيسية للآلات هي أنها تسمح لنا بالقيام بنفس القدر من العمل من خلال تطبيق كمية أصغر من القوة على مسافة أكبر.
رافعة
"أعطني رافعة ومكانا للوقوف ، وسأحرك العالم." يُنسب هذا الادعاء المتبجح إلى الفيلسوف وعالم الرياضيات والمخترع اليوناني أرخميدس في القرن الثالث. في حين أنه قد يكون مبالغًا فيه بعض الشيء ، إلا أنه يعبر عن قوة النفوذ ، والتي ، على الأقل المجازي ، تحرك العالم.
كانت عبقرية أرخميدس تدرك أنه من أجل تحقيق نفس المبلغ أو العمل ، يمكن للمرء أن يقوم بمفاضلة بين القوة والمسافة باستخدام رافعة. ينص قانونه الخاص بالرافعة على أن "الأقدار في حالة توازن على مسافات متناسبة بشكل متبادل مع أوزانهم" ، وفقًا لـ "أرخميدس في القرن الحادي والعشرين" ، وهو كتاب افتراضي لكريس روريس في جامعة نيويورك.
يتكون الذراع من شعاع طويل ونقطة ارتكاز. تعتمد الميزة الميكانيكية للرافعة على نسبة أطوال الشعاع على جانبي نقطة ارتكاز.
على سبيل المثال ، لنفترض أننا نريد رفع 100 رطل. (45 كيلوجرامًا) الوزن 2 قدمًا (61 سم) عن الأرض. يمكننا ممارسة 100 رطل. القوة على الوزن في الاتجاه الصاعد لمسافة 2 قدم ، وقمنا بعمل 200 رطل قدم (271 نيوتن متر) من العمل. ومع ذلك ، إذا استخدمنا ذراع 30 قدمًا (9 أمتار) مع طرف واحد تحت الوزن و 1 قدم (30.5 سم) نقطة ارتكاز تحت العارضة 10 أقدام (3 أمتار) من الوزن ، فلن يكون لدينا سوى للضغط على الطرف الآخر مع 50 رطلا. (23 كجم) من القوة لرفع الوزن. ومع ذلك ، سيتعين علينا دفع نهاية الذراع لأسفل 4 أقدام (1.2 متر) لرفع الوزن 2 قدم. لقد أجرينا مقايضة ضاعفنا فيها المسافة التي كان علينا تحريك الرافعة بها ، لكننا خفضنا القوة المطلوبة بمقدار النصف من أجل القيام بنفس القدر من العمل.
مستوى مائل
المستوى المائل هو ببساطة سطح مستوي مرفوع بزاوية ، مثل المنحدر. وفقًا لبوب ويليامز ، الأستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية في كلية روس للهندسة والتكنولوجيا في جامعة أوهايو ، فإن الطائرة المائلة هي طريقة لرفع حمولة تكون ثقيلة جدًا بحيث لا يمكن رفعها بشكل مستقيم. تحدد الزاوية (انحدار المستوى المائل) مقدار الجهد المطلوب لرفع الوزن. كلما كان المنحدر أكثر انحدارًا ، يلزم بذل المزيد من الجهد. هذا يعني أنه إذا رفعنا 100 رطل. الوزن 2 قدم عن طريق لفه منحدرًا يصل إلى 4 أقدام ، نقوم بتقليل القوة المطلوبة بمقدار النصف مع مضاعفة المسافة التي يجب تحريكها. إذا كان علينا استخدام منحدر بطول 8 أقدام (2.4 م) ، فيمكننا تقليل القوة المطلوبة إلى 25 رطلاً فقط. (11.3 كجم).
بكرة
إذا أردنا رفع نفس 100 رطل. الوزن بحبل ، يمكننا إرفاق بكرة بحزمة فوق الوزن. سيتيح لنا ذلك الانسحاب بدلاً من رفعه على الحبل ، ولكنه لا يزال يتطلب 100 رطل. القوة. ومع ذلك ، إذا كان علينا استخدام بكرتين - واحدة متصلة بالحزمة العلوية والأخرى متصلة بالوزن - وكنا نعلق أحد طرفي الحبل بالحزمة ، ثم نمرره عبر البكرة على الوزن ثم من خلال البكرة على العارضة ، سيكون علينا فقط سحب الحبل بحوالي 50 رطلاً. القوة لرفع الوزن ، على الرغم من أننا يجب أن نسحب الحبل 4 أقدام لرفع الوزن 2 قدم. مرة أخرى ، تداولنا بعدًا متزايدًا لتقليل القوة.
إذا أردنا استخدام قوة أقل على مسافة أكبر ، يمكننا استخدام كتلة ومعالجة. وفقًا لمواد الدورة التدريبية من جامعة ساوث كارولينا ، "الكتلة والمعالجة عبارة عن مزيج من البكرات التي تقلل من كمية القوة المطلوبة لرفع شيء ما. المفاضلة هي أن طول الحبل أطول مطلوب للكتلة ومعالجة لتحريك شيء بنفس المسافة ".
وببساطة البكرات ، فإنها لا تزال تجد استخدامها في الآلات الجديدة الأكثر تقدمًا. على سبيل المثال ، تستخدم طابعة Hangprinter ، وهي طابعة ثلاثية الأبعاد يمكنها بناء أشياء بحجم الأثاث ، نظامًا من الأسلاك والبكرات التي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر والمثبتة على الجدران والأرضية والسقف.
برغي
ووفقًا لموقع HyperPhysics ، الذي أنتجته جامعة ولاية جورجيا ، فإن "المسمار هو في الأساس طائرة مائلة طويلة ملفوفة حول عمود ، لذلك يمكن الاقتراب من ميزته الميكانيكية بنفس طريقة الانحدار". تستخدم العديد من الأجهزة براغي لممارسة قوة أكبر بكثير من القوة المستخدمة في إدارة المسمار. وتشمل هذه الأجهزة الرذائل مقاعد البندق والصواميل على عجلات السيارات. يكتسبون ميزة ميكانيكية ليس فقط من المسمار نفسه ولكن أيضًا ، في كثير من الحالات ، من رافعة مقبض طويل يستخدم لتحويل المسمار.
وتد
وفقًا لمعهد نيومكسيكو للتعدين والتكنولوجيا ، "تعمل الأوتاد على تحريك الطائرات المائلة التي يتم دفعها تحت الأحمال للرفع ، أو إلى حمل لتقسيمها أو فصلها." يوفر إسفين أطول وأرفع ميزة ميكانيكية أكثر من إسفين أقصر وأعرض ، لكن الإسفين يفعل شيئًا آخر: الوظيفة الرئيسية للإسفين هي تغيير اتجاه قوة الإدخال. على سبيل المثال ، إذا أردنا تقسيم السجل ، فيمكننا دفع إسفين لأسفل في نهاية السجل بقوة كبيرة باستخدام مطرقة ثقيلة ، وسيعيد الإسفين توجيه هذه القوة إلى الخارج ، مما يتسبب في انقسام الخشب. مثال آخر هو حاجز الباب ، حيث يتم نقل القوة المستخدمة لدفعه تحت حافة الباب إلى أسفل ، مما يؤدي إلى قوة احتكاك تقاوم الانزلاق عبر الأرضية.
اعثر على بعض الأنشطة الممتعة التي تتضمن آلات بسيطة في متحف العلوم والصناعة في شيكاغو.
