YKSINKERTAISET KONEET: HISTORIA, OMINAISUUDET, TYYPIT, ESIMERKIT - TEKNIIKKA - 2026

Yksinkertainen koneet ovat mekaanisia laitteita, jotka muuttavat suuruus tai voiman suunnan. Ne voidaan yleensä määritellä kaikkein paljainluisiksi laitteiksi, jotka käyttävät mekaanista etua, jota kutsutaan myös vipuvaikutukseksi voiman lisäämiseksi.

Ihmiset ovat koko historian ajan kehittäneet erilaisia ​​laitteita työn helpottamiseksi. Tärkeimmät tunnetaan kuutena yksinkertaisena koneena: vipu, pyörä ja akseli, hihnapyörä, kalteva taso, kiila ja ruuvi.

Lähde: John Mills

Kun kuulet sanan kone, ajattelet jotain kuten kaivinkone tai höyrykone. Tieteessä kone on kuitenkin mikä tahansa, mikä lisää voimaa.

Kone voi lisätä tuotetun voiman määrää kustannuksella, joka vähenee suhteessa kuorman kuljettamaan matkaan. Mekaaniseksi etuna kutsutaan tuotetun voiman ja käytetyn voiman väliseksi suhteeksi.

Yksinkertainen kone käyttää yhtä kohdistettua voimaa, joka toimii yhtä kuormitusvoimaa vastaan. Kun kitkahäviöt jätetään huomioimatta, kuormalla tehty työ on yhtä suuri kuin kohdistetun voiman tekemä työ.

Alkuperäiset lohkot

Yksinkertaisia ​​koneita on kaikkialla, ja niitä käytetään päivittäin yksinkertaisten tehtävien suorittamiseen. Niitä on käytetty myös ihmisen olemassaolon varhaisimmista päivistä lähtien.

Yksinkertaisia ​​koneita voidaan pitää peruslohkoina, joista kaikki monimutkaisemmat koneet koostuvat, nimeltään yhdistelmäkoneet.

Polkupyörän mekanismissa käytetään esimerkiksi hihnapyöriä, vipuja ja pyöriä. Yhdistelmäkoneen mekaaninen etu ei ole muuta kuin sen muodostavien yksinkertaisten koneiden mekaanisten etujen tulos.

Vaikka nykyaikaista mekaniikkaa pidetään edelleen erittäin tärkeänä mekaniikassa ja soveltuvassa tieteessä, se on ylittänyt yksinkertaisten koneiden näkemyksen kuin peruslohkot, joista kaikki koneet koostuvat.

Historia

Alkuperäiset ideat

Noin 3. vuosisadalla eKr. C. sai idean yksinkertaisesta koneesta kreikkalaisen filosofin Archimedesin kanssa, joka tutki seuraavia yksinkertaisia ​​koneita: vipu, hihnapyörä ja ruuvi.

Hän löysi vivusta mekaanisen edun periaatteen. Hänen kuuluisa huomautuksensa vivusta: "Anna minulle paikka nojata ja minä liikutan maata" ilmaisee ymmärtävänsä, että voiman lisäyksen määrälle, joka voitaisiin saavuttaa mekaanisen edun avulla, ei ollut mitään rajaa.

Myöhemmin kreikkalaiset filosofit määrittelivät viisi klassista yksinkertaista konetta ja pystyivät laskemaan mekaanisen edunsa.

Esimerkiksi Heric of Alexandria (10-75 AD) luetteloi mekaanisessa työssään viisi laitetta, jotka voivat asettaa kuorman liikkeelle: hihnapyörä, pyörä ja akseli, vipu, ruuvi ja kiila, yksityiskohtaisesti niiden valmistusta ja käyttöä.

Kreikkalaisten tietämys rajoittui kuitenkin yksinkertaisten koneiden statiikkaan (voimien tasapaino), ilman dinamiaa, työn käsitettä tai voiman ja etäisyyden välistä kompromissia.

Renessanssikausi

Mekaanisten voimien dynamiikkaa, kuten yksinkertaisia ​​koneita kutsuttiin, alettiin tutkia renessanssin aikana siitä näkökulmasta, kuinka pitkälle kuorma voitiin nostaa sen voiman lisäksi, jota voitiin käyttää, mikä lopulta johti uuteen konseptiin mekaaninen työ.

Kaltevan koneen mekaanisen edun päätti flaamilainen insinööri Simon Stevin vuonna 1586. Se sisällytettiin muiden yksinkertaisten koneiden rinnalle.

Italialainen tutkija Galileo Galilei laati vuonna 1600 teoksessaan Le Meccaniche täydellisen dynaamisen teorian yksinkertaisista koneista, jossa hän paljasti taustalla olevan matemaattisen samankaltaisuuden näiden koneiden voimavahvistimina. Hän selitti ensimmäisenä, että yksinkertaiset koneet eivät luoneet energiaa, ne vain muuttivat sen.

Leonardo da Vinci löysi klassiset liukukitkinän säännöt koneissa, mutta niitä ei julkaistu tai dokumentoitu hänen pohjusteessaan. Vuonna 1699 Guillaume Amontons löysi nämä säännöt uudelleen, ja vuonna 1785 Charles-Augustin de Coulomb kehitti ne.

ominaisuudet

Yksinkertaiset koneet ovat laitteita, joissa ei ole liikkuvia osia tai joita on vain vähän, mikä helpottaa työtä. Yksinkertaisen koneen päätehtävä on voiman vahvistus tai liikkeen modifiointi.

Liike ja voima

Liike ja voima yksinkertaisessa koneessa ovat erottamattomia. He ovat aina käänteisiä suhteita.

Vivun tuottama voima on suurempi kuin siihen kohdistettu voima, mutta tuotettu liike on pienempi kuin käytetty liike. Toisin sanoen voiman lisäykseen liittyy liikkeen menetys.

Job

Mekaniikassa työ on jotain, jonka voimat tekevät liikkuessaan suuntaan, johon he toimivat. Toisin sanoen, kun etäisyyden ajamiseen kohdistetaan voimaa, syntyy työtä. Tämä ilmaistaan ​​matemaattisesti seuraavasti: Työ = Voima × Etäisyys.

Esimerkiksi esineen nostamiseksi on tehtävä työ, joka ylittää painovoiman ja pystyy siten siirtämään esinettä ylöspäin.

Jos haluat nostaa esineen kahdesti raskaammaksi, sen nostaminen samalle etäisyydelle vie kaksinkertaisesti niin paljon työtä. Saman esineen nostaminen kahdesti niin pitkälle kestää myös kaksinkertaisesti.

Tämä työn käsite on perusta, jotta voidaan määritellä mekaaninen toiminta yksinkertaisissa koneissa voiman ja liikkeen suhteen, korostaen voiman ja liikkeen erottamattomuutta.

Mekaaninen etu

Se on voiman välinen suhde, joka tekee työtä suhteessa käytettyyn voimaan. Siksi se on yksinkertaisen koneen voimamääritystehokkuus.

Yksinkertaisten koneiden mekaaninen etu tarkoittaa, että esineen liikuttamiseen voidaan käyttää vähemmän voimaa, mutta sitä on siirrettävä pidemmälle.

Usein tehtävän katsotaan olevan vaikeaa, koska se vaatii paljon voimaa. Etäisyyden ja voiman välisen kompromissin käyttö voi tehdä tehtävästä paljon helpompaa suorittaa.

Esimerkki on painavan esineen työntäminen rampista alas. Esinettä on helpompi työntää ramppia alas kuin nostaa sitä oikealle korkeudelle, mutta sitä on kuljetettava pidempi etäisyys.

Mihin yksinkertaiset koneet ovat?

Yksinkertaiset koneet helpottavat työtä suorittamalla yksi tai useampi seuraavista toiminnoista:

- Siirrä voima paikasta toiseen.

- Muuta voiman suuntaa.

- Suurenna voiman suuruutta.

- Suurenna voiman etäisyyttä.

Vaikka yksinkertaiset koneet ovat monenlaisia, niitä on kuusi perustyyppiä:

- Kiila: laite asioiden erottamiseen.

- Pyörä ja akseli: käytetään kitkan vähentämiseen ja voiman kertoimena.

- Vipu: liikkuu tukipisteen ympärillä lisätä tai vähentää mekaanista etua.

- Kalteva taso: nosta esineitä noustessaan rinteeseen.

- Ruuvi: laite, joka voi nostaa tai pitää esineitä yhdessä.

- Hihnapyörä: muuttaa voiman suuntaa.

Lisää käytettyä voimaa

Yksinkertaiset koneet auttavat ihmisiä lisäämään esineeseen kohdistuvaa voimaa. Ne tarjoavat mekaanisen edun esineiden liikkumisen helpottamiseksi.

Kuten työkaava osoittaa, yksinkertaisten koneiden pääasiallinen hyöty on mahdollistaa saman määrän työtä tekemällä pienempi voima suuremmalla etäisyydellä.

Haluat esimerkiksi nostaa 10 kilogrammaa painavan esineen 2 metriä maanpinnasta. Kohteeseen voidaan kohdistaa 10 kg voimaa ylöspäin 2 metrin etäisyydelle tekemällä siten 20 newtonia työtä.

Jos käytettiin 3 metrin vipua, asettamalla esine toiseen päähän ja sijoittamalla 10 cm tukipiste tankin alle yhden metrin etäisyydellä esineestä, nostaessasi esineen, sinun on työnnettävä toinen pää alas vain 5 kilogramman voima.

Vivun pää olisi kuitenkin työnnettävä 4 metriä alas, jotta esine voidaan nostaa vain 2 metriä.

Siinä on kompromissi. Vivun laskeminen kaksinkertaistaa edellisen etäisyyden, mutta vähentää tarvittavan voiman puoleen tekemällä saman työn.

Tyypit

Vipu

Se on eräänlainen jäykkä tanko, jolla on kiinteä tukipiste tukipisteenä. Se koostuu kuormasta, joka on siirrettävä tai nostettava esine, tukipisteestä, joka on nivel, ja työstä, joka on voima, joka tarvitaan kuorman siirtämiseen tai nostamiseen.

Voiman kohdistaminen vivun toiseen päähän luo suuremman voiman toisessa päässä. Käytetty voima kasvaa tai laskee riippuen etäisyydestä tukipisteestä kuormaan ja rasitukseen.

Rengas ja akseli

Se koostuu pyörästä, joka on kiinnitetty pienempaan akseliin siten, että nämä kaksi osaa pyörivät yhdessä, jolloin voima siirtyy yhdestä toiseen. Akselia tukee sarana, joka mahdollistaa pyörimisen.

Se helpottaa esineiden siirtämistä etäisyyksien päästä. Pyörä, joka on pyöreä pää, pyörii lieriöakselin kanssa aiheuttaen liikkeen.

Se voi myös vahvistaa voimaa. Pieni voima, joka kohdistuu suuren pyörän kehään, voi liikuttaa suurempaa akseliin kiinnitettyä kuormaa.

Talja

Se on suunniteltu tukemaan kireän köyden liikettä ja suunnanmuutosta. Köysi kietou pyörän ympärille. Pyörän kääntyessä köysi liikkuu mihin tahansa suuntaan.

Jos koukku on kytketty köyteen, pyörän kiertoa voidaan käyttää esineiden nostamiseen ja laskemiseen, mikä helpottaa työtä.

Kalteva taso

Se on tasainen pinta, jonka toinen pää on toista korkeampi ja jota käytetään tukena kuorman nostamiseen tai laskemiseen. Niitä käytetään laajalti raskaiden kuormien siirtämiseen pystysuorien esteiden yli.

Esineen siirtäminen kaltevalla tasolla ylöspäin vaatii vähemmän voimaa kuin sen nostaminen suoraan, kuljettaman matkan kasvun kustannuksella.

Kaltevan tason mekaaninen etu on yhtä suuri kuin kaltevan pinnan pituuden suhde sen peittämään korkeuteen.

Kehto

Se on kolmion muotoinen työkalu. Sitä voidaan käyttää kahden esineen erottamiseen, esineen kappaleiden poistamiseen, sen nostamiseen tai esineen pitämiseen paikallaan.

Se toimii muuttamalla tylpään päähän kohdistuva voima voimiksi, jotka ovat kohtisuorassa sen kaltevaan pintaan nähden.

Mekaanisen edun antaa kaltevuuden pituuden ja leveyden välinen suhde.

Ruuvi

Se on mekanismi, joka muuttaa pyörimisliikkeen lineaariseksi liikkeeksi ja pyörimisvoiman (vääntömomentin) lineaariseksi voimaksi. Ruuvi on todellakin toinen kaltevan tason tyyppi.

Sen yleisin muoto koostuu lieriömäisestä akselista, jonka ulkopuolella kierteisiä uria kutsutaan kierteiksi.

Ruuvi kulkee toisen esineen tai väliaineen reiän läpi sisäkierteillä, jotka kiinnittyvät ruuvikierteisiin.

esimerkit

vivut

Joitakin esimerkkejä vipuista ovat ovenkahvat, kynsien poistovasaran kynnet, rautavivut, valokytkimet, pullonavaajat ja saranat.

Lähde: pixabay.com

Pyörät ja akselit

Niitä löytyy missä asiat kiertävät ympyrässä, kuten sähköpuhallin, moottori, pyöröovi, karuselli ja mikä tahansa pyörä, olipa se autossa, rullalaudalla tai polkupyörällä.

Lähde: pixabay.com

Hihnapyörät

Niitä käytetään verhoissa ja kaihtimissa liikuttamaan niitä ylös ja alas tai edestakaisin.

He voivat tuoda jotain maasta, kuten lippu pylväällä. Köysi vedetään alas, mutta lippu nousee.

Niitä käytetään myös teollisuudessa raskaiden kuormien nostamiseen ja laskemiseen, purjeiden nostamiseen ja laskemiseen aluksissa tai liikkuvissa rakennuslaitteissa käytettäviin nostureihin.

Hissit käyttävät myös hihnapyöriä auton liikuttamiseen alas ja ylös lattiasta toiseen.

Lähde: pixabay.com

Kalteva lentokoneet

Niitä käytetään skootteripuistoissa, pyörätuolin ramppeissa ja raskaan kaluston siirtämiseen kuorma-autojen takaosan sisään ja ulos.

Rampin muokattuja versioita löytyy portaista, liukuportaista, kävelyreiteistä ja jopa dioilta, joita käytetään pudottamaan postia postilaatikkoon, rinteeseen nousevaan junaan asti.

Lähde: pexels.com

Kehto

Joitakin esimerkkejä erottamiseen käytetyistä kiiloista voivat olla lapio, veitsi, kirves, leppuri, saha, sakset tai jäänpoimi.

Kiilat voivat pitää myös asioita yhdessä, kuten niittien, tappien, kielekkeiden, naulojen tai oviaukkojen tapauksessa.

Lähde: pixabay.com

Ruuvi

Joitakin esimerkkejä ovat pora, purkikansi, hehkulamppu, pultti, pullonkorkit, hanat ja kynät.

Toinen ruuvin käyttö on laitteessa, jota kutsutaan ruuvipumppuksi. Se on valtava ruuvimainen hydraulinen kone, joka menee veteen. Pyöritettäessä ruuvinmuodonsa ansiosta vesi menee kierretyllä akselilla ylöspäin nouseen sinne, missä sitä tarvitaan. Ruuvipumppuja käytetään usein kasteluun ja maataloudessa, kuten tiloilla.

Lähde: pixabay.com

Viitteet

1. Wikipedia, ilmainen tietosanakirja (2019). Yksinkertainen kone. Kuvannut: en.wikipedia.org.
2. Idahon julkinen televisio (2019). Yksinkertaiset koneet: tosiasiat. Ostettu: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 yksinkertaista konetta: helpottaa työskentelyä. Elävä tiede. Ostettu: livescience.com.
4. Opeta tekniikka (2019). Suunnittelu: Yksinkertaiset koneet. Kuvannut: teachengineering.org.
5. Opettajille opiskelijoille (2019). Mitä ovat yksinkertaiset koneet? Ostettu: forteachersforstudents.com.au.
6. Victorian osavaltion hallitus (2019). Yksinkertaiset koneet. Ostettu: Education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Kuusi tyyppiä yksinkertaisia ​​koneita. Otettu: vexrobotics.com.