EGYSZERŰ GÉPEK: ELŐZMÉNYEK, JELLEMZŐK, TÍPUSOK, PÉLDÁK - TECHNOLÓGIA - 2026

Az egyszerű gépek olyan mechanikus eszközök, amelyek megváltoztatják az erő nagyságát vagy irányát. Általában úgy definiálhatók, mint a legkisebb csontú készülékek, amelyek mechanikai előnyt, más néven tőkeáttételt használnak az erő növelésére.

A történelem során az emberek különféle eszközöket fejlesztettek ki a munka megkönnyítésére. A legfontosabb az egyszerű gépek hat típusa: a kar, a kerék és a tengely, a tárcsa, a ferde sík, az ék és a csavar.

Forrás: John Mills

Amikor meghallja a gép szót, valami olyanra gondol, mint például kotrógép vagy gőzgép. A tudományban azonban a gép minden, ami nagyobb erőt eredményez.

A gép növelheti a termelt erő mennyiségét a teher megtett távolságának arányos csökkentésének a költségein. A mechanikai előnynek nevezzük az előállított erő és az alkalmazott erő kapcsolatát.

Egy egyszerű gép egyetlen alkalmazott erőt használ, amely egyetlen terhelési erő ellen hat. A súrlódási veszteségeket figyelmen kívül hagyva a terhelésen elvégzett munka megegyezik az alkalmazott erő által végzett munkával.

Elem blokkok

Az egyszerű gépek mindenhol megtalálhatók, ezeket minden nap egyszerű feladatok elvégzésére használják. Ezeket az emberi lét legkorábbi napjai óta használják.

Az egyszerű gépeket elemi blokkoknak lehet tekinteni, amelyek összetettebb gépeknek nevezik a bonyolultabb gépeket.

A kerékpár mechanizmusában például szíjtárcsákat, emelőket és kerekeket használnak. Az összetett gép mechanikai előnye nem más, mint az azt alkotó egyszerű gépek mechanikai előnyeinek eredménye.

Noha a modern mechanika továbbra is nagyon fontosnak tartja a mechanikában és az alkalmazott tudományban, az egyszerű gépek látását meghaladta, mint az alapvető blokkokat, amelyekből minden gép összeáll.

Történelem

Kezdeti ötletek

Kr. E. 3. század körül. C. az egyszerű gép gondolatát, Archimedes görög filozófus kezdeményezte, aki a következő egyszerű gépeket tanulmányozta: kar, csiga és csavar.

A karjában felfedezte a mechanikai előny elvét. A karral kapcsolatos híres megjegyzése: "Adj nekem egy helyet, ahol lehajlok, és én mozgatom a Földet" kifejezi megértését, hogy a mechanikus előnyök alkalmazásával elért erőnövekedésnek nincs korlátozása.

Később a görög filozófusok öt klasszikus egyszerű gépet definiáltak, és képesek voltak kiszámítani a mechanikai előnyeiket.

Például a Mechanics munkájában Heron of Alexandria (10-75 AD) öt eszközt sorol fel, amelyek mozgást tudnak mozgatni: csiga, kerék és tengely, emelő, csavar és ék, részletezve azok gyártását és használatát.

A görögök tudása azonban az egyszerű gépek statikájára (az erőegyensúlyra) korlátozódott, ide nem értve a dinamikát, a munka fogalmát vagy az erő és a távolság közötti kompromisszumot.

Reneszánsz időszak

A mechanikai erõk dinamikáját, amint egyszerû gépeket hívtak, a reneszánsz során elkezdték tanulmányozni annak szemszögébõl, hogy milyen messzire lehetne terhelni a terhelést, az alkalmazandó erõ mellett, amely végül az új koncepcióhoz vezetett. mechanikai munka.

A ferde sík mechanikai előnyeit a flamand mérnök, Simon Stevin 1586-ban állapította meg. Ezt a többi egyszerű gép mellé beépítették.

Galileo Galilei olasz tudós 1600-ban kidolgozta az egyszerű gépek teljes dinamikus elméletét, Le Meccaniche munkájában, amelyben feltárta a mögöttes matematikai hasonlóságot, mint ezeknek a gépeknek az erőerősítői. Ő volt az első, aki magyarázta, hogy az egyszerű gépek nem teremtenek energiát, csak átalakítják.

Leonardo da Vinci felfedezte a csúszó súrlódás klasszikus szabályait a gépekben, de ezeket nem tették közzé vagy dokumentálták az ő alapozójában. 1699-ben Guillaume Amontons újból felfedezte ezeket a szabályokat, és 1785-ben Charles-Augustin de Coulomb dolgozta ki azokat.

jellemzők

Az egyszerű gépek olyan eszközök, amelyekben nincs mozgó alkatrész vagy nagyon kevés a mozgó alkatrész, ami megkönnyíti a munkát. Egy egyszerű gép fő funkciója az erő erősítése vagy a mozgás módosítása.

Mozgás és erő

A mozgás és az erő egy egyszerű gépen elválaszthatatlanok. Mindig fordított kapcsolatban vannak.

A kar által kifejtett erő nagyobb, mint a rá kifejtett erő, de a létrehozott mozgás kisebb, mint az alkalmazott mozgás. Vagyis az erőnövekedést a mozgás vesztesége kíséri.

Munka

A mechanikában a munka olyasmi, amit az erők hajtanak, amikor az irányba mozognak. Azaz, ha egy erőt alkalmaznak egy távolság meghaladására, munka jön létre. Ezt matematikailag fejezik ki: Munka = Erő × Távolság.

Például egy tárgy felemeléséhez olyan munkát kell végezni, amely meghaladja a gravitációs erőt, és így képes az objektumot felfelé mozgatni.

Ha egy tárgy kétszer nehéz, akkor kétszer annyi munka szükséges ahhoz, hogy megegyezzen. Kétszer annyi munka elvégzése is igénybe venné ugyanazt az objektumot kétszer annyira.

A munka ezen koncepciója alapvető fontosságú az egyszerű gépek mechanikus funkciójának meghatározásakor az erő és a mozgás szempontjából, kiemelve az erő és a mozgás elválaszthatatlanságát.

Mechanikai előny

Ez az erő közötti kapcsolat, amely a munkát végzi az alkalmazott erővel szemben. Ezért ez egy egyszerű gép erőerősítő hatékonysága.

Az egyszerű gépek mechanikai előnye azt jelenti, hogy kevesebb erő használható fel egy tárgy mozgatásához, de azt nagyobb távolságon kell mozgatni.

A feladat sokszor nehéznek érzi magát, mert sok erőt igényel. A távolság és az erő közötti kompromisszum használata sokkal könnyebbé teszi a feladat teljesítését.

Példa erre egy nehéz tárgy lenyomása a rámpán. Könnyebb a tárgyat lenyomni a rámpán, mint a megfelelő magasságba emelni, de ezt nagyobb távolságra kell tartani.

Mire készülnek egyszerű gépek?

Az egyszerű gépek megkönnyítik a munkát az alábbi funkciók közül egy vagy több végrehajtásával:

- Erő átvitele egyik helyről a másikra.

- Megváltoztathatja az erő irányát.

- Növelje az erő nagyságát.

- Növelje az erő távolságát.

Noha az egyszerű gépek sokféle formában vannak, ezek hat alaptípusba sorolhatók:

- Ék: eszköz a dolgok szétválasztására.

- Kerék és tengely: a súrlódás csökkentésére és erő szorzóként szolgál.

- Kar: mozog a lengőtest körül, hogy növelje vagy csökkentse a mechanikai előnyöket.

- Dőlött sík: emelje fel a tárgyakat egy lejtőn felmászáskor.

- Csavar: olyan eszköz, amely fel tudja emelni vagy tartani az elemeket.

- Csiga: megváltoztatja az erő irányát.

Növelje az alkalmazott erőt

Az egyszerű gépek segítenek az embereknek növelni az objektumra kifejtett erőt. Mechanikai előnyt biztosítanak az objektumok mozgatásában.

Amint a munkaképlet megmutatja, az egyszerű gépek fő előnye az, hogy ugyanazt a mennyiséget kell elvégezni, ha kevesebb erőt alkalmaznak nagyobb távolságon.

Például 10 kilogramm 2 m-es tárgyat szeretne megemelni a földről. 10 kg erő gyakorolható a tárgyra felfelé, 2 méter távolságra, ezáltal 20 Newton munkát végezve.

Ha 3 méteres kart használtak, az tárgyat az egyik végére helyezve, és a rúd alá 10 cm távolságra helyezve az objektumtól 1 méter távolságra, akkor a tárgy felemeléséhez a másik végét le kell nyomni mindössze 5 kilogramm erő.

A kar végét azonban 4 méterre le kellene nyomni, hogy az objektum csak 2 méter legyen.

Van egy kompromisszum. A kar leengedése megduplázza az előző távolságot, de felére csökkenti a szükséges erőt, ugyanannyi munkát végezve.

típusai

fogantyú

Ez egyfajta merev rúd, amelynek rögzített holtteste van a támaszpontként. Ez egy teherből áll, amely a mozgatandó vagy emelendő tárgy, a lengőtest, amely a forgócsavar, és egy erőfeszítésből áll, amely a teher mozgatásához vagy felemeléséhez szükséges erő.

Erő alkalmazása a kar egyik végére nagyobb erőt hoz létre a másik végén. Az alkalmazott erő növekedni vagy csökkenni fog, a támasztól a terheléstől és a terheléstől való távolságtól függően.

Kerék és tengely

Egy kerékből áll, amely egy kisebb tengelyhez van rögzítve úgy, hogy ez a két rész együtt forog, ahol az erő átadódik az egyikről a másikra. A tengelyhez egy csuklópánt támaszkodik, amely lehetővé teszi a forgást.

Megkönnyíti a távoli mozgó tárgyak munkáját. A kerék, amely a kerek vég, a hengeres tengelygel forog, ami mozgást okoz.

Ez is erősítheti az erőt. Egy nagy kerék kerületére kifejtett kis erő mozgathatja a tengelyhez kapcsolt nagyobb terhet.

Csiga

Úgy tervezték, hogy támogassa a feszes kötél mozgását és irányának megváltoztatását. A kötél körbekerül. A kerék forogásakor a kötél bármilyen irányba mozog.

Ha horog van kötve a kötélhez, akkor a kerék forgatása felhasználható tárgyak emelésére és leengedésére, megkönnyítve ezzel a munkát.

Ferde sík

Ez egy sík felület, amelynek egyik vége magasabb, mint a másik, és támasztékként szolgál a teher emelésére vagy leengedésére. Széles körben használják nehéz terhek mozgatására függőleges akadályok felett.

Tárgy mozgatása egy lejtős síkon felfelé kevesebb erőt igényel, mint a közvetlen felemelés, a megtett távolság növekedésének költségén.

A ferde sík mechanikai előnye megegyezik a ferde felület hosszának és a fedő magasságának a hányadosával.

Bölcső

Háromszög alakú szerszám. Használható két tárgy elválasztására, egy tárgy darabjainak eltávolítására, felemelésére vagy az objektum helyben tartására.

Úgy működik, hogy a tompa végére kifejtett erőt a ferde felületére merőleges erőkké alakítja.

A mechanikai előnyt a meredekség hossza és a szélesség közötti kapcsolat adja.

Csavar

Ez egy olyan mechanizmus, amely a forgási mozgást lineáris mozgássá, a forgási erőt (nyomatékot) pedig lineáris erővé alakítja. A csavar valóban egy másik típusú ferde sík.

Leggyakoribb alakja hengeres tengely, amelynek spirális hornyai vannak, úgynevezett menetek, amelyek kívül vannak.

A csavar áthalad egy másik tárgy vagy közeg lyukán, belső menetekkel, amelyek a csavarmenetekkel összehúzódnak.

Példák

Levers

Néhány példa a karokra: ajtófogantyúk, körmök a köröm eltávolító kalapácson, vaskarok, világítókapcsolók, palacknyitók és csuklópántok.

Forrás: pixabay.com

Kerekek és tengelyek

Megtalálhatók olyan helyeken, ahol a dolgok körben körbemennek, mint például elektromos ventilátor, motor, forgóajtó, körhinta és bármilyen kerék, legyen az autóban, gördeszka vagy kerékpár.

Forrás: pixabay.com

Csigák

Függönyökben és redőnyökben használják fel-le, vagy oda-vissza mozgatáshoz.

Hozhatnak valamit a földről, mint egy zászlót a rúdon. A kötél le van húzva, de a zászló felmegy.

Az iparban szintén használják a nehéz terhek emelésére és leengedésére, a hajókon a vitorlák emelésére és leengedésére, vagy darukban, amelyeket mozgó építőipari berendezésekhez használnak.

A felvonók szíjtárcsákkal is mozgatják az autót a földről padlóra.

Forrás: pixabay.com

Ferde síkok

Robogóparkokban, kerekesszék-rámpákban és nehéz felszerelések mozgatására használják teherautók hátsó részén.

A rámpának módosított változata megtalálható a lépcsőn, a mozgólépcsőn, a sétálóutakon és még a diákon is, amelyeket a postaládába ejtettek, egészen a lejtőn felmenő vonatig.

Forrás: pexels.com

Bölcső

A szétválasztásra használt ékek néhány példája lehet egy lapát, kés, fejsze, csákány, fűrész, olló vagy jégkorong.

Az ékek szintén együtt tarthatják a dolgokat, például kapcsok, csapok, csapok, szögek vagy küszöbök esetén.

Forrás: pixabay.com

Csavar

Néhány példa a fúróra, egy edény fedélre, egy izzóra, egy csavarra, palack kupakra, csaptelepre és tollra vonatkozik.

A csavar másik felhasználása egy csavarszivattyúnak nevezett eszközben van. Ez egy hatalmas csavar alakú hidraulikus gép, amely megy a vízbe. Forgáskor a csavar alakjának köszönhetően a víz felmegy a sodrott tengelyen, felfelé, ahol szükséges. A csavaros szivattyúkat gyakran használják öntözéshez és mezőgazdasági környezetben, például gazdaságokban.

Forrás: pixabay.com

Irodalom

1. Wikipedia, a szabad enciklopédia (2019). Egyszerű gép. Forrás: en.wikipedia.org.
2. Idaho közszolgálati televízió (2019). Egyszerű gépek: Tények. Forrás: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 egyszerű gép: a munka könnyebbé tétele. Élő tudomány. Forrás: livescience.com.
4. Tanítsd meg a mérnököt (2019). Mérnöki munka: Egyszerű gépek. Feltöltve: teachengineering.org.
5. Tanárok számára diákok számára (2019). Mik az egyszerű gépek? Forrás: forteachersforstudents.com.au.
6. Victoria állam kormánya (2019). Egyszerű gépek. Feltéve: Education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). Az egyszerű gépek hat típusa. Forrás: vexrobotics.com.