JEDNODUCHÉ STROJE: HISTORIE, VLASTNOSTI, TYPY, PŘÍKLADY - TECHNOLOGIE - 2025

Tyto jednoduché stroje jsou mechanická zařízení, které mění velikost nebo směr síly. Obecně je lze definovat jako nejosobitější aparát, který ke zvýšení síly využívá mechanickou výhodu, nazývanou také pákový efekt.

V celé historii lidé vyvinuli různá zařízení, která usnadňují práci. Nejdůležitější jsou známé jako šest typů jednoduchých strojů: páka, kolo a hřídel, kladka, nakloněná rovina, klín a šroub.

Zdroj: John Mills

Když uslyšíte slovo stroj, myslíte na něco jako bagr nebo parní stroj. Ve vědě je však stroj něco, co zvyšuje sílu.

Stroj může zvýšit množství vytvořené síly za cenu poměrného zmenšení vzdálenosti, kterou náklad prochází. Mechanická výhoda se nazývá vztah mezi vytvořenou silou a aplikovanou silou.

Jednoduchý stroj používá jedinou aplikovanou sílu, která působí proti jediné zatěžovací síle. Při ignorování ztrát třením se práce na zatížení rovná práci prováděné aplikovanou silou.

Elementární bloky

Jednoduché stroje jsou všude a používají se každý den k provádění jednoduchých úkolů. Používají se také od nejranějších dnů lidské existence.

Jednoduché stroje lze považovat za základní bloky, z nichž jsou složeny všechny složitější stroje, nazývané složené stroje.

V mechanismu jízdního kola se například používají kladky, páky a kola. Mechanická výhoda složeného stroje není ničím jiným než výsledkem mechanických výhod jednoduchých strojů, které jej skládají.

Přestože jsou mechanika a aplikovaná věda nadále považována za velmi důležitou, moderní mechanika překonala tuto vizi jednoduchých strojů jako základních bloků, z nichž jsou všechny stroje složeny.

Dějiny

Počáteční nápady

Kolem 3. století před naším letopočtem. C. vytvořil myšlenku jednoduchého stroje s řeckým filozofem Archimedesem, který studoval tyto jednoduché stroje: páku, kladku a šroub.

V páce objevil princip mechanické výhody. Jeho slavný komentář týkající se páky: „Dej mi místo, kam se mohu naklonit a já pohnu Zemí“ vyjadřuje jeho pochopení, že neexistovalo omezení na zvýšení síly, které by bylo možné dosáhnout použitím mechanické výhody.

Později řečtí filosofové definovali pět klasických jednoduchých strojů a byli schopni vypočítat mechanickou výhodu, kterou měli.

Například ve své práci Mechanics uvádí Heron of Alexandria (10-75 nl) pět zařízení, která mohou uvést zatížení do pohybu: kladka, kolo a hřídel, páka, šroub a klín, podrobně popisující jejich výrobu a použití.

Znalost Řeků se však omezovala na statiku jednoduchých strojů (rovnováha sil), bez dynamiky, koncepce práce nebo kompromisu mezi silou a vzdáleností.

Renesanční období

Dynamika mechanických sil, jak se říkaly jednoduché stroje, se začala studovat během renesance z pohledu toho, jak daleko lze zvednout břemeno, kromě síly, která mohla být použita, což nakonec vedlo k novému konceptu. mechanická práce.

Mechanickou výhodu nakloněné roviny vyvodil vlámský inženýr Simon Stevin v roce 1586. Byl zahrnut spolu s dalšími jednoduchými stroji.

Italský vědec Galileo Galilei vypracoval v roce 1600 úplnou dynamickou teorii jednoduchých strojů, ve své práci Le Meccaniche, kde odhalil základní matematickou podobnost jako silové zesilovače těchto strojů. Jako první vysvětlil, že jednoduché stroje nevytvářely energii, pouze ji transformovaly.

Leonardo da Vinci objevil klasická pravidla kluzného tření ve strojích, ale v primeru nebyl publikován ani zdokumentován. V roce 1699 Guillaume Amontons znovu objevil tato pravidla a v roce 1785 byla vyvinuta Charlesem-Augustinem de Coulomb.

vlastnosti

Jednoduché stroje jsou zařízení, která nemají žádné nebo jen velmi málo pohyblivých částí, což usnadňuje práci. Hlavní funkcí jednoduchého stroje je zesílení síly nebo změna pohybu.

Pohyb a síla

Pohyb a síla v jednoduchém stroji jsou neoddělitelné. Jsou vždy v obráceném vztahu.

Síla vytvářená pákou je větší než síla, která na ni působí, ale vytvořený pohyb je menší než aplikovaný pohyb. To znamená, že nárůst síly je doprovázen ztrátou pohybu.

Práce

V mechanice je práce něčím, co síly dělají, když se pohybují ve směru, ve kterém jednají. To znamená, že při působení síly na cestu na dálku se vytvoří práce. To je vyjádřeno matematicky jako: Work = Force × Distance.

Například pro zvednutí objektu musí být provedena práce, která překračuje gravitační sílu, a tak musí být schopna pohybovat objektem nahoru.

Chcete-li objekt zdvihnout dvakrát tak těžce, je třeba zdvihnout stejnou vzdálenost dvakrát. Zdvihnutí téhož objektu by také dvakrát zabralo dvakrát tolik práce.

Tato koncepce práce je zásadní pro definování mechanické funkce v jednoduchých strojích z hlediska síly a pohybu, zdůrazňující neoddělitelnost síly a pohybu.

Mechanická výhoda

Je to vztah mezi silou, která vykonává práci s ohledem na aplikovanou sílu. Je to tedy účinnost zesílení síly jednoduchého stroje.

Mechanická výhoda jednoduchých strojů znamená, že k pohybu objektu lze použít menší sílu, ale musí se pohybovat na delší vzdálenost.

Mnohokrát je úkol pociťován jako obtížný, protože vyžaduje hodně síly. Použití kompromisu mezi vzdáleností a silou může úkol mnohem snáze splnit.

Příkladem je tlačení těžkého předmětu dolů po rampě. Je snazší zatlačit objekt dolů po rampě, než jej zvednout do správné výšky, ale musí být nesen delší vzdálenost.

K čemu jsou jednoduché stroje?

Jednoduché stroje usnadňují práci provedením jedné nebo více z následujících funkcí:

- Přeneste sílu z jednoho místa na druhé.

- Změňte směr síly.

- Zvyšte velikost síly.

- Zvětšit vzdálenost síly.

Ačkoli jednoduché stroje mají mnoho různých podob, přicházejí v šesti základních typech:

- Klín: zařízení k oddělení věcí.

- Kolo a náprava: používá se ke snížení tření a jako multiplikátor síly.

- Páka: pohybuje se kolem osy pro zvýšení nebo snížení mechanické výhody.

- Nakloněná rovina: zvedání předmětů při stoupání na svah.

- Šroub: zařízení, které může zvedat nebo držet předměty pohromadě.

- Kladka: mění směr síly.

Zvyšte aplikovanou sílu

Jednoduché stroje pomáhají lidem zvyšovat sílu aplikovanou na objekt. Poskytují mechanickou výhodu, která pomáhá pohybovat objekty.

Jak naznačuje pracovní vzorec, hlavní výhoda jednoduchých strojů spočívá v tom, že umožňuje stejné množství práce provedením menšího množství síly na větší vzdálenost.

Například chcete zvednout předmět o hmotnosti 10 kilogramů 2 metry nad zemí. Na předmět může být vynaloženo 10 kg síly směrem vzhůru, na vzdálenost 2 metrů, čímž se provádí 20 Newtonů práce.

Pokud byla použita páka 3 metry, umístěte objekt na jeden konec a umístěte 10 cm fulcrum pod tyč ve vzdálenosti 1 metru od objektu, pak zvedněte objekt, který byste museli tlačit dolů na druhý konec pomocí síla pouhých 5 kilogramů.

Konec páky by však musel být zatlačen dolů o 4 metry, aby objekt zvedl pouze 2 metry.

Existuje kompromis. Snížení páky zdvojnásobí předchozí vzdálenost, ale sníží sílu potřebnou na polovinu a provede stejnou práci.

Typy

Páka

Je to druh tuhé tyče, která je podporována pevným osou. Skládá se z nákladu, který je předmětem, který má být přemísťován nebo zvednut, z otočného čepu, který je otočným čepem, a úsilí, což je síla potřebná k pohybu nebo zvedání nákladu.

Použití síly na jeden konec páky vytvoří větší sílu na druhém konci. Použitá síla se zvýší nebo sníží v závislosti na vzdálenosti od středu otáčení k zatížení a napětí.

Kolo na hřídeli

Skládá se z kola připojeného k menší nápravě, takže se tyto dvě části otáčí společně, přičemž síla je přenášena z jedné na druhou. Kloub podporuje hřídel a umožňuje otáčení.

Usnadňuje práci pohybujících se objektů na velké vzdálenosti. Kolo, které je kulatým koncem, se otáčí s válcovou osou, což způsobuje pohyb.

Může také zesílit sílu. Malá síla působící na obvod velkého kola může pohybovat větším zatížením připojeným k nápravě.

Kladka

Je určen k podpoře pohybu a změny směru napnutého lana. Lano se ovinuje kolem kola. Jak se kolo otáčí, lano se pohybuje jakýmkoli směrem.

Je-li k lanu připojen hák, lze pomocí otočení kola zvednout a spustit předměty, což usnadňuje práci.

Nakloněná rovina

Je to plochý povrch, jehož jeden konec je vyšší než druhý a který se používá jako podpěra ke zvýšení nebo snížení zátěže. Oni jsou široce zvyklí pohybovat těžkými břemeny přes vertikální překážky.

Posun předmětu nahoru po nakloněné rovině vyžaduje menší sílu než přímé zvedání za cenu zvýšení ujeté vzdálenosti.

Mechanická výhoda nakloněné roviny se rovná poměru délky nakloněné plochy k výšce, kterou pokrývá.

Kolébka

Jedná se o nástroj ve tvaru trojúhelníku. Může být použit k oddělení dvou objektů, odstranění kusů objektu, zvednutí nebo držení objektu na místě.

Funguje tak, že převede sílu působící na jeho tupý konec na síly kolmé na jeho nakloněný povrch.

Mechanická výhoda je dána vztahem mezi délkou svahu a šířkou.

Šroub

Je to mechanismus, který převádí rotační pohyb na lineární pohyb a rotační sílu (točivý moment) na lineární sílu. Šroub je opravdu další typ nakloněné roviny.

Jeho nejběžnější tvar je tvořen válcovou hřídelí se spirálovými drážkami zvanými závity podél vnější strany.

Šnek prochází otvorem v jiném předmětu nebo médiu s vnitřními závity, které zapadají do závitů závitu.

Příklady

Páky

Některé příklady pák jsou kliky dveří, drápy na kladivu na odstranění hřebíků, železné páky, spínače světla, otvíráky na lahve a závěsy.

Zdroj: pixabay.com

Kola a nápravy

Nacházejí se tam, kde se věci pohybují v kruhu, jako je elektrický ventilátor, motor, otočné dveře, kolotoč a jakékoli kolo, ať už je to v autě, na skateboardu nebo na kole.

Zdroj: pixabay.com

Kladky

Používají se v záclonách a roletách, aby je pohybovaly nahoru a dolů nebo tam a zpět.

Mohou přinést něco ze země, jako vlajku na tyči. Lano je staženo dolů, ale vlajka stoupá.

Používají se také v průmyslu ke zvedání a snižování těžkých břemen, na lodích ke zvedání a spouštění plachet nebo v jeřábech, které se používají na pohybující se stavební zařízení.

Výtahy také používají kladky pro pohyb auta dolů a nahoru od podlahy k podlaze.

Zdroj: pixabay.com

Nakloněné roviny

Používají se v parkech pro skútry, na rampách pro invalidní vozíky a pro přesun těžkých zařízení do a ze zadních vozů.

Upravené verze rampy se nacházejí na schodech, eskalátorech, turistických trasách a dokonce i na skluzavkách používaných k ukládání pošty do poštovní schránky, až po vlak stoupající po svahu.

Zdroj: pexels.com

Kolébka

Některé příklady klínů používaných k oddělení mohou být lopata, nůž, sekera, krumpáč, pila, nůžky nebo ledová špička.

Klíny mohou také držet věci pohromadě, jako v případě sponek, špendlíků, cvočků, hřebíků nebo dveřních zarážek.

Zdroj: pixabay.com

Šroub

Některé příklady jsou na vrtačce, víku nádoby, žárovce, šroubu, uzávěrech lahví, faucety a pera.

Další použití šroubu je v zařízení zvaném šroubové čerpadlo. Je to obrovský šroubový hydraulický stroj, který jde do vody. Při otáčení se voda díky svému tvaru šroubu zvedne do zkroucené šachty a stoupá tam, kde je to potřeba. Šneková čerpadla se často používají pro zavlažování a v zemědělských zařízeních, jako jsou farmy.

Zdroj: pixabay.com

Reference

1. Wikipedia, encyklopedie zdarma (2019). Jednoduchý stroj. Převzato z: en.wikipedia.org.
2. Idaho Public Television (2019). Jednoduché stroje: fakta. Převzato z: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 jednoduchých strojů: Usnadnění práce. Živá věda. Převzato z: livescience.com.
4. Učit inženýrství (2019). Inženýrství: Jednoduché stroje. Převzato z: teachengineering.org.
5. Pro učitele pro studenty (2019). Co jsou jednoduché stroje? Převzato z: forteachersforstudents.com.au.
6. Státní vláda Victoria (2019). Jednoduché stroje. Převzato z: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Šest typů jednoduchých strojů. Převzato z: vexrobotics.com.