- אבני יסוד
- הִיסטוֹרִיָה
- רעיונות ראשוניים
- תקופת הרנסנס
- מאפיינים
- תנועה וכוח
- עבודה
- יתרון מכני
- בשביל מה מכונות פשוטות?
- הגדל את הכוח המופעל
- סוגים
- מָנוֹף
- גלגל וציר
- גַלגֶלֶת
- מישור משופע
- עֶרֶשׂ
- לִדפּוֹק
- דוגמאות
- מנופים
- גלגלים וסרנים
- גלגלות
- מטוסים נוטים
- עֶרֶשׂ
- לִדפּוֹק
- הפניות
מכונות פשוטות הם מכשירים מכניים המשנים את גודל או כיוון של כוח. בדרך כלל ניתן להגדיר אותם כמנגנון העצמות החשופות ביותר המשתמשות ביתרון מכני, המכונה גם מינוף, כדי להגביר כוח.
לאורך ההיסטוריה פיתחו בני אדם מכשירים שונים כדי להקל על העבודה. החשובים ביותר ידועים כשישה סוגים של מכונות פשוטות: המנוף, הגלגל והפיר, הגלגלת, המטוס המשופע, הטחוב והבורג.
מקור: ג'ון מילס
כשאתה שומע את מכונת המילים, אתה חושב על משהו כמו מחפר או מנוע אדים. עם זאת, במדע מכונה היא כל דבר שעושה כוח גדול יותר.
מכונה יכולה להגדיל את כמות הכוח המופק, במחיר של צמצום פרופורציונלי למרחק שהעומס עובר. היתרון המכני נקרא הקשר בין הכוח המיוצר לכוח המופעל.
מכונה פשוטה משתמשת בכוח מיושם יחיד הפועל נגד כוח טעינה יחיד. תוך התעלמות מאובדי חיכוך, העבודה שנעשתה על העומס שווה לעבודה שנעשתה על ידי הכוח המופעל.
אבני יסוד
מכונות פשוטות נמצאות בכל מקום לשימוש בכל יום לביצוע משימות פשוטות. הם שימשו גם מאז הימים הראשונים של קיום אנושי.
מכונות פשוטות יכולות להיחשב כבלוקים היסודיים שמהם מורכבות כל המכונות המורכבות יותר, המכונות מכונות מורכבות.
במנגנון של אופניים, למשל, משתמשים בגלגלות, מנופים וגלגלים. היתרון המכני של מכונה מורכבת אינו אלא תוצאה של היתרונות המכניים של המכונות הפשוטות המרכיבות אותה.
עם זאת, למרות שהם ממשיכים להיחשב חשובים מאוד במכניקה ובמדע יישומי, מכניקה מודרנית התעלה על חזון זה של מכונות פשוטות כבלוקים היסודיים שמהם מורכבות כל המכונות.
הִיסטוֹרִיָה
רעיונות ראשוניים
בסביבות המאה השלישית לפני הספירה. ג 'מקורה ברעיון של מכונה פשוטה, עם הפילוסוף היווני ארכימדס, שחקר את המכונות הפשוטות הבאות: מנוף, גלגלת ובורג.
הוא גילה במנוף את עקרון היתרון המכני. התגובה המפורסמת שלו ביחס למנוף: "תן לי מקום להישען ואני אניע את כדור הארץ" מבטאת את הבנתו כי לא הייתה גבול לכמות עליית הכוח שניתן היה להשיג בעזרת יתרון מכני.
מאוחר יותר פילוסופים יוונים הגדירו חמש מכונות פשוטות קלאסיות והיו מסוגלים לחשב את היתרון המכני שהיה להם.
לדוגמה, בעבודה שלו מכניקה, הרון מאלכסנדריה (10-75 לספירה) מונה חמישה מכשירים שיכולים להפעיל עומס בתנועה: גלגלת, גלגל וגל, מנוף, בורג ו טריז, תוך פירוט ייצורם ושימושם.
עם זאת, הידע של היוונים הוגבל לסטטיסטיקה של מכונות פשוטות (מאזן הכוחות), לא כולל דינמיקה, מושג העבודה או הסחר בין כוח למרחק.
תקופת הרנסנס
הדינמיקה של כוחות מכניים, כפי שכונו מכונות פשוטות, החלה ללמוד במהלך הרנסנס, מנקודת המבט של כמה רחוק ניתן היה להרים עומס, בנוסף לכוח שניתן היה להפעיל, מה שהוביל בסופו של דבר לתפיסה החדשה עבודה מכנית.
היתרון המכני של המטוס נוטה הוסמך על ידי המהנדס הפלמי סימון סטיבן בשנת 1586. הוא נכלל לצד מכונות פשוטות אחרות.
המדען האיטלקי גלילאו גליליי פירט בשנת 1600 את התיאוריה הדינאמית השלמה של מכונות פשוטות, בעבודתו Le Meccaniche, שם חשף את הדמיון המתמטי הבסיסי כמגברי כוח של מכונות אלה. הוא היה הראשון שהסביר שמכונות פשוטות לא יצרו אנרגיה, הם רק שינו אותה.
לאונרדו דה-וינצ'י גילה את הכללים הקלאסיים של חיכוך הזזה במכונות, אך הם לא פורסמו ולא תועדו בראשם. בשנת 1699 גילה אמונטון גילה מחדש את הכללים הללו ובשנת 1785 הם פותחו על ידי שארל-אוגוסטין דה קולומב.
מאפיינים
מכונות פשוטות הן מכשירים ללא חלקים נעים או מעטים ביותר, מה שמקל על העבודה. הפונקציה העיקרית של מכונה פשוטה היא הגברה של הכוח או שינוי התנועה.
תנועה וכוח
תנועה וכוח במכונה פשוטה אינם ניתנים להפרדה. הם תמיד במערכת יחסים הפוכה.
הכוח המופק על ידי מנוף גדול מהכוח המופעל עליו, אך התנועה המיוצרת פחותה מהתנועה המופעלת. כלומר, עלייה בכוח מלווה באובדן תנועה.
עבודה
במכניקה, עבודה היא דבר שכוחות עושים כאשר הם נעים בכיוון בו הם פועלים. כלומר, כאשר מפעילים כוח לנסוע למרחק, נוצרת עבודה. זה בא לידי ביטוי מתמטי כ: עבודה = כוח × מרחק.
לדוגמא, כדי להרים אובייקט, יש לבצע עבודות העולות על כוח הכובד ובכך להיות מסוגלים להזיז את האובייקט כלפי מעלה.
כדי להרים חפץ כבד כפל, דרושה עבודה כפולה כדי להרים אותו באותו מרחק. זה היה לוקח גם עבודה כפליים כדי להרים את אותו חפץ כפליים.
תפיסת עבודה זו חיונית להגדרת הפונקציה המכנית במכונות פשוטות מבחינת כוח ותנועה, תוך הדגשת חוסר ההפרדה של כוח ותנועה.
יתרון מכני
זה הקשר בין הכוח שמבצע עבודה ביחס לכוח המופעל. לכן זו יעילות הגברת הכוח של מכונה פשוטה.
היתרון המכני של מכונות פשוטות פירושו שניתן להשתמש בפחות כוח בכדי להזיז חפץ, אך יש להזיז אותו למרחק רב יותר.
פעמים רבות מורגשת משימה כקשה מכיוון שהיא דורשת כוח רב. השימוש בסילוף בין מרחק לכוח יכול להקל על ביצוע המשימה בהרבה.
דוגמה לכך היא דחיפת חפץ כבד במורד כבש. קל יותר לדחוף את החפץ במורד הרמפה מאשר להרים אותו לגובה הנכון, אך עליו לשאת מרחק ארוך יותר.
בשביל מה מכונות פשוטות?
מכונות פשוטות מקלות על עבודה על ידי ביצוע אחת או יותר מהפונקציות הבאות:
- להעביר כוח ממקום למקום.
- לשנות את כיוון הכוח.
- הגדל את גודל הכוח.
- הגדילו את מרחק הכוח.
למרות שמכונות פשוטות נוקטות הרבה צורות שונות, הן מגיעות בשישה סוגים בסיסיים:
- טריז: מכשיר להפרדת דברים.
- גלגל וציר: משמש להפחתת החיכוך וכמכפיל כוח.
- מנוף: נע סביב נקודת המשען כדי להגדיל או להקטין את היתרון המכני.
- מטוס נוטה: הרם חפצים בעת טיפוס על מדרון.
- בורג: מכשיר שיכול להרים או להחזיק פריטים יחד.
- גלגלת: משנה את כיוון הכוח.
הגדל את הכוח המופעל
מכונות פשוטות עוזרות לבני אדם להגביר את הכוח המופעל על חפץ. הם מספקים יתרון מכני לסייע בהעברת חפצים.
כפי שעולה מנוסחת העבודה, היתרון העיקרי של מכונות פשוטות הוא לאפשר את אותה כמות עבודה לבצע על ידי הפעלת כמות פחותה של כוח על פני מרחק גדול יותר.
לדוגמה, אתה רוצה להרים חפץ שמשקלו 10 קילוגרם 2 מטר מהקרקע. ניתן להפעיל 10 ק"ג כוח על העצם בכיוון כלפי מעלה, למרחק של 2 מטר, ובכך לבצע 20 ניוטון של עבודה.
אם נעשה שימוש במנוף 3 מטר, הצבת האובייקט בקצה אחד והנחת נקודת משען של 10 ס"מ מתחת למוט במרחק מטר מהאובייקט, ואז כדי להרים את האובייקט תצטרך לדחוף כלפי מטה בקצה השני עם כוח של 5 קילוגרמים בלבד.
עם זאת, יש צורך לדחוף את סוף המנוף למטה 4 מטרים כדי להרים את החפץ רק 2 מטרים.
יש טרייד אוף. הורדת המנוף מכפילה את המרחק הקודם, אך מקטינה את הכוח הנדרש במחצית, עושה את אותה כמות עבודה.
סוגים
מָנוֹף
זהו סוג של סרגל נוקשה שיש לו נקודת משען קבועה כנקודת תמיכה. זה מורכב מעומס, שהוא האובייקט אותו יש להזיז או להרים, נקודת משען, שהיא הציר, ומאמץ, שהוא הכוח הנדרש להנעה או הרמה של העומס.
הפעלת כוח לקצה אחד של המנוף יוצרת כוח גדול יותר בקצה השני. הכוח המופעל יגדל או יקטין בהתאם למרחק של נקודת המשען לעומס ולחץ.
גלגל וציר
זה מורכב מגלגל המחובר לציר קטן יותר כך ששני החלקים הללו מסתובבים זה בזה, שם מועבר כוח מאחד לשני. ציר תומך בציר ומאפשר סיבוב.
זה מאפשר את העבודה של העברת חפצים לאורך מרחקים. הגלגל, שהוא הקצה העגול, מסתובב עם הציר הגלילי, וגורם לתנועה.
זה יכול גם להגביר את הכוח. כוח קטן המופעל על היקפו של גלגל גדול יכול להזיז עומס גדול יותר המחובר לציר.
גַלגֶלֶת
זה נועד לתמוך בתנועה ובשינוי הכיוון של חבל מתוח. החבל מתעטף סביב גלגל. כשהגלגל מסתובב, החבל נע לכל כיוון.
אם וו מחובר לחבל, ניתן להשתמש בסיבוב הגלגל כדי להעלות ולהנמיך חפצים, וכך להקל על העבודה.
מישור משופע
זהו משטח שטוח, עם קצה אחד גבוה יותר מהקצה השני, המשמש כתומך להעלאת או הורדת עומס. הם נמצאים בשימוש נרחב להעברת משאות כבדים מעל מכשולים אנכיים.
הנעת חפץ במעלה מטה נוטה מצריכה פחות כוח מאשר הרמתו ישירות, במחיר של הגדלת המרחק שנסע.
היתרון המכני של מישור נוטה שווה ליחס בין אורך המשטח המשופע לגובה שהוא מכסה.
עֶרֶשׂ
זהו כלי בצורת משולש. ניתן להשתמש בו כדי להפריד בין שני חפצים, להסיר חלקים של חפץ, להרים אותו או להחזיק חפץ במקום.
זה פועל על ידי הסבת כוח המופעל על הקצה הבוטה שלו לכוחות בניצב למשטח הנטוי שלו.
היתרון המכני ניתן על ידי הקשר בין אורך המדרון לרוחב.
לִדפּוֹק
זהו מנגנון שממיר את התנועה הסיבובית לתנועה ליניארית ואת הכוח הסיבוב (מומנט) לכוח ליניארי. בורג הוא באמת סוג אחר של מטוס נוטה.
צורתו הנפוצה ביותר מורכבת מפיר גלילי עם חריצים סליליים הנקראים חוטים מבחוץ.
הבורג עובר דרך חור באובייקט אחר או בינוני אחר עם חוטים פנימיים שמשתלבים עם חוטי הברגים.
דוגמאות
מנופים
כמה דוגמאות למנופים הם ידיות דלתות, טפרים על פטיש להסרת ציפורניים, מנופי ברזל, מתגי תאורה, פתיחת בקבוקים וצירים.
מקור: pixabay.com
גלגלים וסרנים
הם נמצאים במקום בו הדברים מסתובבים במעגל, כמו מאוורר חשמלי, מנוע, דלת מסתובבת, קרוסלה וכל גלגל, בין אם זה במכונית, על סקייטבורד או על אופניים.
מקור: pixabay.com
גלגלות
הם משמשים בווילונות ותריסים כדי להזיז אותם למעלה ולמטה, או קדימה ואחורה.
הם יכולים להעלות משהו מהאדמה, כמו דגל על עמוד. החבל מושך כלפי מטה, אך הדגל עולה.
הם משמשים גם בתעשייה להעלאת והורדת משאות כבדים, באוניות להעלאת אוורור מפרשים, או במנופים שישמשו לציוד בנייה.
המעליות משתמשות גם בגלגלות כדי להזיז את המכונית מטה ומעלה מהרצפה לקומה.
מקור: pixabay.com
מטוסים נוטים
הם משמשים בפארקי קטנועים, רמפות לכיסא גלגלים, ולהעברת ציוד כבד אל גב המשאיות ומחוצה לה.
גרסאות משתנות של רמפה נמצאות במדרגות, דרגנועים, שבילי הליכה ואפילו במגלשות המשמשות להטלת דואר בתיבת הדואר, ממש עד לרכבת העולה במדרון.
מקור: pexels.com
עֶרֶשׂ
כמה דוגמאות ל טריזים המשמשים להפרדה יכולות להיות חפירה, סכין, גרזן, מכונית, מסור, זוג מספריים או קוטף קרח.
טריזים יכולים גם להחזיק דברים יחד, כמו במקרה של מצרך סיכות, סיכות, נעצים, מסמרים או דלתות.
מקור: pixabay.com
לִדפּוֹק
כמה דוגמאות לכך הן על מקדחה, מכסה צנצנת, נורה, בריח, כובעי בקבוקים, ברזים ועטים.
שימוש נוסף בורג הוא במכשיר הנקרא משאבת בורג. זו מכונה הידראולית ענקית בצורת בורג שנכנסת למים. כאשר מסתובבים, הודות לצורת הבורג שלהם, המים עולים במעלה השביל המעוות, ועולים למקום בו הם נדרשים. משאבות בורג משמשות לרוב להשקיה ובמסגרות חקלאיות כמו חוות.
מקור: pixabay.com
הפניות
- ויקיפדיה, האינציקלופדיה החופשית (2019). מכונה פשוטה. נלקח מ: en.wikipedia.org.
- הטלוויזיה הציבורית של איידהו (2019). מכונות פשוטות: עובדות. נלקח מ: idahoptv.org.
- ג'ים לוקאס (2018). 6 מכונות פשוטות: מקל על העבודה. מדע חי. נלקח מ: livescience.com.
- הוראת הנדסה (2019). הנדסה: מכונות פשוטות. לקוח מ: teachengineering.org.
- למורים לתלמידים (2019). מהן מכונות פשוטות? נלקח מ: forteachersforstudents.com.au.
- ממשלת ויקטוריה (2019). מכונות פשוטות. לקוח מ: education.vic.gov.au.
- Vex IQ (2019). ששת סוגי המכונות הפשוטות. נלקח מ: vexrobotics.com.