Trong suốt lịch sử, con người đã phát triển một số thiết bị để làm cho công việc dễ dàng hơn. Đáng chú ý nhất trong số này được gọi là "sáu máy đơn giản": bánh xe và trục, đòn bẩy, mặt phẳng nghiêng, ròng rọc, ốc vít và nêm, mặc dù ba máy sau thực sự chỉ là phần mở rộng hoặc kết hợp của đầu tiên số ba.
Do công việc được định nghĩa là lực tác dụng lên một vật theo hướng chuyển động, nên một cỗ máy giúp công việc dễ thực hiện hơn bằng cách hoàn thành một hoặc nhiều chức năng sau, theo Jefferson Lab:
- chuyển một lực lượng từ nơi này sang nơi khác,
- thay đổi hướng của một lực
- tăng cường độ của một lực, hoặc
- tăng khoảng cách hoặc tốc độ của một lực.
Máy đơn giản là thiết bị không có hoặc rất ít bộ phận chuyển động giúp công việc dễ dàng hơn. Nhiều công cụ phức tạp ngày nay chỉ là sự kết hợp hoặc hình thức phức tạp hơn của sáu máy đơn giản, theo Đại học Colorado tại Boulder. Ví dụ, chúng ta có thể gắn một tay cầm dài vào trục để làm kính chắn gió, hoặc sử dụng một khối và vật cản để kéo tải lên một đoạn dốc. Mặc dù các máy này có vẻ đơn giản, nhưng chúng tiếp tục cung cấp cho chúng tôi phương tiện để làm nhiều việc mà chúng tôi không bao giờ có thể làm nếu không có chúng.
Bánh xe và trục
Bánh xe được coi là một trong những phát minh quan trọng nhất trong lịch sử thế giới. "Trước khi phát minh ra bánh xe vào năm 3500 B.C., con người bị hạn chế nghiêm trọng về số lượng chúng ta có thể vận chuyển trên đất liền và bao xa", Natalie Wolchover viết trong bài báo Khoa học trực tiếp "10 phát minh hàng đầu thay đổi thế giới". "Xe đẩy có lợi cho nông nghiệp và thương mại bằng cách cho phép vận chuyển hàng hóa đến và đi từ thị trường, cũng như giảm bớt gánh nặng của những người đi du lịch xa."
Bánh xe làm giảm đáng kể ma sát gặp phải khi một vật thể được di chuyển trên một bề mặt. "Nếu bạn đặt tủ hồ sơ của bạn trên một chiếc xe đẩy nhỏ có bánh xe, bạn có thể giảm đáng kể lực cần thiết để di chuyển tủ với tốc độ không đổi", theo Đại học Tennessee.
Trong cuốn sách "Khoa học cổ đại: Tiền sử-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels viết: "Ở nhiều nơi trên thế giới, các vật thể nặng như đá và thuyền được di chuyển bằng con lăn gỗ. Khi vật thể tiến về phía trước, con lăn được lấy từ phía sau và thay thế ở phía trước. " Đây là bước đầu tiên trong sự phát triển của bánh xe.
Tuy nhiên, sự đổi mới tuyệt vời là gắn bánh xe trên trục xe. Bánh xe có thể được gắn vào một trục được hỗ trợ bởi ổ đỡ, hoặc nó có thể được chế tạo để xoay tự do về trục. Điều này dẫn đến sự phát triển của xe ngựa, xe ngựa và xe ngựa. Theo Samuels, các nhà khảo cổ sử dụng sự phát triển của một bánh xe quay trên trục xe như một chỉ báo của một nền văn minh tương đối tiên tiến. Bằng chứng sớm nhất về bánh xe trên trục xe là từ khoảng 3200 B.C. bởi người Sumer. Người Trung Quốc độc lập phát minh ra bánh xe vào năm 2800 B.C.
Lực lượng nhân
Ngoài việc giảm ma sát, một bánh xe và trục xe cũng có thể đóng vai trò là một số nhân lực, theo Science Quest từ Wiley. Nếu một bánh xe được gắn vào trục và một lực được sử dụng để quay bánh xe, lực quay hoặc mô-men xoắn, trên trục lớn hơn nhiều so với lực tác dụng lên vành bánh xe. Ngoài ra, một tay cầm dài có thể được gắn vào trục để đạt được hiệu quả tương tự.
Năm máy khác đều giúp con người tăng và / hoặc chuyển hướng lực tác dụng lên vật. Trong cuốn sách "Di chuyển những điều lớn lao" (Đó là về thời gian, 2009), Janet L. Kolodner và đồng tác giả của cô viết, "Máy móc mang lại lợi thế cơ học để hỗ trợ các vật thể chuyển động. Lợi thế cơ học là sự đánh đổi giữa lực và khoảng cách. " Trong các cuộc thảo luận sau đây về các máy đơn giản làm tăng lực tác dụng lên đầu vào của chúng, chúng ta sẽ bỏ qua lực ma sát, bởi vì trong hầu hết các trường hợp này, lực ma sát rất nhỏ so với lực đầu vào và đầu ra liên quan.
Khi một lực được áp dụng trên một khoảng cách, nó tạo ra công việc. Về mặt toán học, điều này được biểu thị dưới dạng W = F × D. Ví dụ, để nâng một vật thể, chúng ta phải thực hiện công việc để vượt qua lực do trọng lực và di chuyển vật lên trên. Để nâng một vật nặng gấp đôi, phải mất gấp đôi công sức để nâng nó cùng một khoảng cách. Nó cũng mất gấp đôi công việc để nâng cùng một đối tượng gấp đôi. Như được chỉ ra bởi toán học, lợi ích chính của máy móc là chúng cho phép chúng ta thực hiện cùng một lượng công việc bằng cách áp dụng một lực nhỏ hơn trong một khoảng cách lớn hơn.
Đòn bẩy
"Hãy cho tôi một đòn bẩy và một nơi để đứng, và tôi sẽ chuyển thế giới." Yêu sách khoe khoang này được quy cho nhà triết học, nhà toán học và nhà phát minh người Hy Lạp thế kỷ thứ ba Archimedes. Mặc dù nó có thể là một chút cường điệu, nhưng nó thể hiện sức mạnh của đòn bẩy, mà, ít nhất là theo nghĩa bóng, di chuyển thế giới.
Thiên tài của Archimedes là nhận ra rằng để hoàn thành cùng một số tiền hoặc công việc, người ta có thể đánh đổi giữa lực lượng và khoảng cách bằng một đòn bẩy. Theo Luật "Archimedes ở Thế kỷ 21", cuốn sách ảo của Chris Rorres tại Đại học New York cho biết, "Luật của ông về đòn bẩy", "Tầm quan trọng ở trạng thái cân bằng ở các khoảng cách tỷ lệ thuận với trọng lượng của chúng".
Đòn bẩy bao gồm một chùm dài và một điểm tựa hoặc trục. Lợi thế cơ học của đòn bẩy phụ thuộc vào tỷ lệ độ dài của chùm tia ở hai bên của điểm tựa.
Ví dụ: giả sử chúng tôi muốn nâng 100 lb. (45 kg) nặng 2 feet (61 cm) so với mặt đất. Chúng tôi có thể sử dụng 100 lbs. lực tác dụng lên trọng lượng theo hướng đi lên trong khoảng cách 2 feet, và chúng tôi đã thực hiện công việc 200 pound-feet (271 Newton-mét). Tuy nhiên, nếu chúng ta sử dụng đòn bẩy 30 feet (9 m) với một đầu dưới trọng lượng và điểm tựa 1 feet (30,5 cm) đặt dưới dầm 10 feet (3 m) so với trọng lượng, chúng ta sẽ chỉ có để đẩy xuống đầu kia với 50 lbs. (23 kg) lực để nâng vật nặng. Tuy nhiên, chúng tôi sẽ phải đẩy phần cuối của đòn bẩy xuống 4 feet (1,2 m) để nâng vật nặng 2 feet. Chúng tôi đã thực hiện một sự đánh đổi trong đó chúng tôi đã nhân đôi khoảng cách chúng tôi phải di chuyển đòn bẩy, nhưng chúng tôi đã giảm một nửa lực cần thiết để thực hiện cùng một lượng công việc.
Mặt phẳng nghiêng
Mặt phẳng nghiêng chỉ đơn giản là một bề mặt phẳng được nâng lên một góc, giống như một đoạn đường nối. Theo Bob Williams, giáo sư khoa cơ khí tại Đại học Kỹ thuật và Công nghệ Russ thuộc Đại học Ohio, một chiếc máy bay nghiêng là một cách nâng một vật nặng quá nặng để nâng thẳng lên. Góc (độ dốc của mặt phẳng nghiêng) xác định cần bao nhiêu nỗ lực để tăng trọng lượng. Đường dốc càng dốc, càng cần nhiều nỗ lực. Điều đó có nghĩa là nếu chúng tôi nâng 100 lb của chúng tôi. trọng lượng 2 feet bằng cách cuộn nó lên một đoạn dốc 4 feet, chúng ta giảm một nửa lực cần thiết trong khi tăng gấp đôi khoảng cách nó phải di chuyển. Nếu chúng ta sử dụng đường dốc 8 feet (2,4 m), chúng ta có thể giảm lực cần thiết xuống chỉ còn 25 lbs. (11,3 kg).
Ròng rọc
Nếu chúng ta muốn nâng 100 lb đó. trọng lượng bằng một sợi dây, chúng ta có thể gắn ròng rọc vào một chùm trên trọng lượng. Điều này sẽ cho phép chúng tôi kéo xuống thay vì lên dây, nhưng nó vẫn cần 100 lbs. của lực lượng. Tuy nhiên, nếu chúng ta sử dụng hai ròng rọc - một được gắn vào chùm trên cao và một được gắn vào trọng lượng - và chúng ta phải gắn một đầu của dây với chùm, chạy qua ròng rọc trên trọng lượng và sau đó xuyên qua ròng rọc trên dầm, chúng tôi sẽ chỉ phải kéo trên sợi dây với 50 lbs. của lực để nâng vật nặng, mặc dù chúng ta sẽ phải kéo dây 4 chân để nâng vật nặng 2 feet. Một lần nữa, chúng tôi đã giao dịch khoảng cách tăng cho lực lượng giảm.
Nếu chúng ta muốn sử dụng lực thậm chí ít hơn trên một khoảng cách thậm chí còn lớn hơn, chúng ta có thể sử dụng một khối và giải quyết. Theo tài liệu khóa học từ Đại học South Carolina, "Khối và vật cản là sự kết hợp của ròng rọc làm giảm lượng lực cần thiết để nâng vật gì đó. Sự đánh đổi là cần một sợi dây dài hơn cho một khối và vật cản để di chuyển một cái gì đó cùng khoảng cách. "
Đơn giản như ròng rọc, chúng vẫn đang được sử dụng trong các máy móc tiên tiến nhất. Ví dụ, Hangprinter, một máy in 3D có thể chế tạo các vật thể có kích thước đồ nội thất, sử dụng một hệ thống dây và ròng rọc điều khiển bằng máy tính neo vào tường, sàn và trần nhà.
Đinh ốc
"Một ốc vít về cơ bản là một mặt phẳng nghiêng dài quấn quanh một trục, vì vậy lợi thế cơ học của nó có thể được tiếp cận theo cách tương tự như độ nghiêng", theo HyperPhysics, một trang web do Đại học bang Georgia sản xuất. Nhiều thiết bị sử dụng ốc vít để tác dụng một lực lớn hơn nhiều so với lực dùng để vặn ốc. Những thiết bị này bao gồm các tật xấu băng ghế và đai ốc trên bánh xe ô tô. Họ có được một lợi thế cơ học không chỉ từ chính ốc vít mà còn, trong nhiều trường hợp, từ đòn bẩy của một tay cầm dài được sử dụng để xoay vít.
Nêm
Theo Viện Khai thác và Công nghệ New Mexico, "Nêm đang di chuyển các mặt phẳng nghiêng được điều khiển dưới tải để nâng hoặc thành tải để tách hoặc tách". Một cái nêm dài hơn, mỏng hơn mang lại lợi thế cơ học hơn so với một cái nêm ngắn hơn, rộng hơn, nhưng một cái nêm làm một việc khác: Chức năng chính của một cái nêm là thay đổi hướng của lực đầu vào. Ví dụ, nếu chúng ta muốn tách một khúc gỗ, chúng ta có thể lái một cái nêm hướng xuống cuối khúc gỗ với một lực rất lớn bằng búa tạ, và cái nêm sẽ chuyển hướng lực này ra bên ngoài, làm cho gỗ bị tách ra. Một ví dụ khác là một cánh cửa, trong đó lực dùng để đẩy nó dưới mép cửa được truyền xuống, dẫn đến lực ma sát chống trượt trên sàn nhà.
Tìm một số hoạt động thú vị liên quan đến các máy đơn giản tại Bảo tàng Khoa học và Công nghiệp ở Chicago.
