Enkla maskiner är anordningar som underlättar arbetet genom att tillåta oss att utöva kraft över större avstånd eller genom att förstärka kraften. De är de grundläggande byggstenarna i mer komplexa maskiner och är djupt integrerade i studiet av rörelse i fysiken. Den här lektionen fokuserar på de sex klassiska enkla maskinerna: spak, hjul och axel, remskiva, lutande plan, skruv och kil, och utforskar hur de ändrar rörelse och kraft för att utföra arbete.
Innan du dyker in i detaljerna hos enkla maskiner är det viktigt att förstå begreppet arbete. Arbete, i fysiken, definieras som den kraft som appliceras på ett objekt gånger avståndet över vilket det appliceras. Matematiskt uttrycks det som:
\( W = F \times d \)där \(W\) är arbete, \(F\) är kraften som appliceras och \(d\) är avståndet. Enkla maskiner ändrar antingen kraften som appliceras eller avståndet över vilken kraften appliceras, och ändrar hur arbetet utförs utan att ändra den totala mängden arbete.
En spak är en stel stång som roterar runt en fast punkt som kallas stödpunkten. Den fungerar enligt momentprincipen, där momentet (vridmomentet) på ena sidan av stödjepunkten balanseras med momentet på den andra sidan. Momentet är produkten av kraften som appliceras och avståndet från stödpunkten, och det ges av:
\( \textrm{Ögonblick} = F \times d \)Spakar klassificeras i tre typer beroende på de relativa positionerna för den applicerade kraften, stödpunkten och belastningen. En gungbräda är ett klassiskt exempel på en förstklassig spak, där stödpunkten är mellan kraften och lasten.
Hjulet och axeln består av ett hjul med större diameter fäst vid en axel med mindre diameter. Att vrida hjulet (eller axeln) får den andra delen att röra sig, vilket effektivt förstärker kraften eller hastigheten. Den mekaniska fördelen, som är den faktor med vilken en maskin multiplicerar kraften i den, är beroende av hjulets och axelns radie enligt:
\( \textrm{Mekanisk fördel} = \frac{\textrm{Radie av hjulet}}{\textrm{Axelradie}} \)Denna enkla maskin ses i enheter som väderkvarnar och bilstyrningssystem, som visar hur roterande rörelse underlättas med mindre ansträngning.
En remskiva är ett hjul på en axel utformad för att stödja rörelsen av ett rep eller kabel. Remskivor kan ändra riktningen på en kraft som appliceras, vilket ofta minskar kraften som behövs för att lyfta en last. En enda fast remskiva ger ingen mekanisk fördel, men ett system av remskivor (block och tackel) kan avsevärt minska kraften som behövs för att lyfta tunga föremål genom att fördela vikten. Den mekaniska fördelen med ett remskivasystem är lika med antalet repsegment som bär upp lasten:
\( \textrm{Mekanisk fördel} = \textrm{Antal bärande repsegment} \)Ett lutande plan är en plan yta som lutar i en vinkel mot horisontalplanet. Det gör det lättare att lyfta en last genom att sprida arbetet över en längre sträcka. Ju längre det lutande planet är, desto mindre kraft behövs för att höja ett föremål till en viss höjd. Den mekaniska fördelen med ett lutande plan bestäms av:
\( \textrm{Mekanisk fördel} = \frac{\textrm{Lutningslängd}}{\textrm{Lutningshöjd}} \)Denna princip tillämpas i ramper och rutschbanor, vilket förenklar uppgifter som att lasta gods på lastbilar eller flytta tunga möbler.
En skruv är i huvudsak ett lutande plan som lindas runt en cylinder och omvandlar rotationsrörelse till linjär rörelse. När en skruv vrids omvandlar gängorna rotationskraften till en linjär kraft vinkelrät mot skruven, vilket lyfter eller drar ihop föremål. Den mekaniska fördelen med en skruv beror på avståndet mellan dess gängor:
\( \textrm{Mekanisk fördel} = \frac{2\pi \times \textrm{Skruvradie}}{\textrm{Tonhöjd}} \)där stigningen är avståndet mellan intilliggande gängor.
En kil är en anordning som består av två lutande plan. Den omvandlar en kraft som appliceras på dess breda ände till krafter som är vinkelräta mot dess lutande ytor. Ju skarpare kilen är (mindre vinkeln mellan dess lutande ytor), desto större kraft utövar den vinkelrätt. Denna enkla maskin används ofta för att skära och klyva föremål, som knivar och yxor.
Enkla maskiner spelar en avgörande roll i vårt dagliga liv, och gör uppgifter lättare genom att modifiera rörelse och kraft. Att förstå dessa grundläggande mekaniska principer lägger grunden för att utforska mer komplexa maskiner och gräva djupare in i fysikvetenskapen. Genom att lära oss om hur enkla maskiner fungerar får vi insikter i de grundläggande funktionerna i världen omkring oss och de tekniska principer som gör det moderna livet möjligt.
