EENVOUDIGE MACHINES: GESCHIEDENIS, KENMERKEN, TYPEN, VOORBEELDEN - TECHNOLOGIE - 2025

De eenvoudige machines zijn mechanische apparaten die de grootte of richting van een kracht veranderen. Ze kunnen over het algemeen worden gedefinieerd als het meest kale apparaat dat een mechanisch voordeel, ook wel hefboomwerking genoemd, gebruikt om een ​​kracht te vergroten.

Door de geschiedenis heen hebben mensen verschillende apparaten ontwikkeld om het werk te vergemakkelijken. De belangrijkste zijn bekend als de zes soorten eenvoudige machines: de hefboom, het wiel en de as, de katrol, het hellende vlak, de wig en de schroef.

Bron: John Mills

Als je het woord machine hoort, denk je aan zoiets als een graafmachine of een stoommachine. In de wetenschap is een machine echter alles wat een kracht groter maakt.

Een machine kan de hoeveelheid geproduceerde kracht vergroten, ten koste van een evenredige vermindering van de afstand die de lading aflegt. Mechanisch voordeel wordt de relatie tussen de geproduceerde kracht en de uitgeoefende kracht genoemd.

Een eenvoudige machine gebruikt een enkele uitgeoefende kracht die werkt tegen een enkele laadkracht. Als we wrijvingsverliezen buiten beschouwing laten, is het werk aan de last gelijk aan het werk dat wordt gedaan door de uitgeoefende kracht.

Elementaire blokken

Eenvoudige machines zijn overal en worden elke dag gebruikt om eenvoudige taken uit te voeren. Ze worden ook gebruikt sinds de vroegste dagen van het menselijk bestaan.

Eenvoudige machines kunnen worden beschouwd als de elementaire blokken waaruit alle complexere machines zijn samengesteld, samengestelde machines genoemd.

In het mechanisme van een fiets worden bijvoorbeeld katrollen, hendels en wielen gebruikt. Het mechanische voordeel van een samengestelde machine is niets meer dan het resultaat van de mechanische voordelen van de eenvoudige machines waaruit het is samengesteld.

Hoewel ze nog steeds als zeer belangrijk worden beschouwd in de mechanica en toegepaste wetenschap, heeft de moderne mechanica die visie van eenvoudige machines overstegen als de elementaire blokken waaruit alle machines zijn samengesteld.

Geschiedenis

Eerste ideeën

Rond de 3e eeuw voor Christus. C. ontstond het idee van een eenvoudige machine bij de Griekse filosoof Archimedes, die de volgende eenvoudige machines bestudeerde: hefboom, katrol en schroef.

Hij ontdekte in de hefboom het principe van mechanisch voordeel. Zijn beroemde opmerking over de hefboom: "Geef me een plek om te leunen en ik zal de aarde verplaatsen" drukt zijn begrip uit dat er geen limiet is aan de hoeveelheid krachttoename die kan worden bereikt met het gebruik van mechanisch voordeel.

Latere Griekse filosofen definieerden vijf klassieke eenvoudige machines en waren in staat om het mechanische voordeel dat ze hadden te berekenen.

In zijn werk Mechanics noemt Heron of Alexandria (10-75 n.Chr.) Bijvoorbeeld vijf apparaten die een last in beweging kunnen brengen: katrol, wiel en as, hefboom, schroef en wig, en beschrijft hun fabricage en gebruik.

De kennis van de Grieken was echter beperkt tot de statica van eenvoudige machines (de krachtsverhoudingen), exclusief dynamiek, het concept van werk of de afweging tussen kracht en afstand.

Renaissance periode

De dynamiek van mechanische krachten, zoals eenvoudige machines werden genoemd, begon tijdens de Renaissance te worden bestudeerd, vanuit het perspectief van hoe ver een last kon worden opgetild, naast de kracht die kon worden uitgeoefend, wat uiteindelijk leidde tot het nieuwe concept mechanisch werk.

Het mechanische voordeel van het hellend vlak werd in 1586 afgeleid door de Vlaamse ingenieur Simon Stevin. Het werd naast de andere eenvoudige machines opgenomen.

De Italiaanse wetenschapper Galileo Galilei werkte in 1600 de complete dynamische theorie van eenvoudige machines uit in zijn werk Le Meccaniche, waar hij de onderliggende wiskundige gelijkenis met krachtversterkers van deze machines onthulde. Hij was de eerste die uitlegde dat eenvoudige machines geen energie creëerden, ze transformeerden het alleen.

Leonardo da Vinci ontdekte de klassieke regels van glijdende wrijving in machines, maar ze werden niet gepubliceerd of gedocumenteerd in zijn primer. In 1699 herontdekte Guillaume Amontons deze regels en in 1785 werden ze ontwikkeld door Charles-Augustin de Coulomb.

kenmerken

Eenvoudige machines zijn apparaten met geen of zeer weinig bewegende delen, die het werk vergemakkelijken. De belangrijkste functie van een eenvoudige machine is het versterken van de kracht of het wijzigen van de beweging.

Beweging en kracht

Beweging en kracht in een eenvoudige machine zijn onafscheidelijk. Ze hebben altijd een omgekeerde relatie.

De kracht die door een hefboom wordt geproduceerd is groter dan de kracht die erop wordt uitgeoefend, maar de geproduceerde beweging is minder dan de uitgeoefende beweging. Dat wil zeggen, krachttoename gaat gepaard met bewegingsverlies.

Job

In de mechanica is werk iets dat krachten doen wanneer ze bewegen in de richting waarin ze handelen. Dat wil zeggen, wanneer een kracht wordt uitgeoefend om een ​​afstand af te leggen, wordt er werk geproduceerd. Dit wordt wiskundig uitgedrukt als: Werk = Kracht × Afstand.

Om bijvoorbeeld een object op te tillen, moet er werk worden verricht dat de zwaartekracht overstijgt en het object dus omhoog kunnen bewegen.

Om een ​​object twee keer zo zwaar te tillen, kost het twee keer zoveel werk om het dezelfde afstand op te tillen. Het zou ook twee keer zoveel werk kosten om hetzelfde object twee keer zo ver op te tillen.

Dit concept van werk is fundamenteel om de mechanische functie in eenvoudige machines te definiëren in termen van kracht en beweging, en benadrukt de onscheidbaarheid van kracht en beweging.

Mechanisch voordeel

Het is de relatie tussen de kracht die werk verricht ten opzichte van de uitgeoefende kracht. Daarom is het de krachtversterkingseffectiviteit van een eenvoudige machine.

Het mechanische voordeel van eenvoudige machines betekent dat er minder kracht kan worden gebruikt om een ​​object te verplaatsen, maar dat het over een grotere afstand moet worden verplaatst.

Vaak wordt een taak als moeilijk ervaren omdat er veel kracht voor nodig is. Door de afweging tussen afstand en kracht te gebruiken, kan de taak veel gemakkelijker worden voltooid.

Een voorbeeld is het duwen van een zwaar voorwerp van een hellingbaan. Het is gemakkelijker om het object van de oprijplaat af te duwen dan om het op de juiste hoogte te tillen, maar het moet een grotere afstand worden gedragen.

Waar zijn eenvoudige machines voor?

Eenvoudige machines vergemakkelijken het werk door een of meer van de volgende functies uit te voeren:

- Breng een kracht over van de ene plaats naar de andere.

- Verander de richting van een kracht.

- Verhoog de grootte van een kracht.

- Vergroot de afstand van een kracht.

Hoewel eenvoudige machines veel verschillende vormen aannemen, bestaan ​​ze in zes basistypen:

- Wedge: apparaat om dingen te scheiden.

- Wiel en as: gebruikt om wrijving te verminderen en als krachtvermenigvuldiger.

- Hendel: beweegt rond een draaipunt om mechanisch voordeel te vergroten of te verkleinen.

- Hellend vlak: til objecten op bij het beklimmen van een helling.

- Schroef: een apparaat dat items bij elkaar kan tillen of vasthouden.

- Katrol: verandert de richting van een kracht.

Verhoog de toegepaste kracht

Eenvoudige machines helpen mensen de kracht die op een object wordt uitgeoefend, te vergroten. Ze bieden een mechanisch voordeel om objecten te helpen verplaatsen.

Zoals de werkformule aangeeft, is het belangrijkste voordeel van eenvoudige machines dat dezelfde hoeveelheid werk kan worden verricht door minder kracht uit te oefenen over een grotere afstand.

U wilt bijvoorbeeld een object van 10 kilogram 2 meter van de grond tillen. Er kan 10 kg kracht in opwaartse richting op het object worden uitgeoefend, over een afstand van 2 meter, en daarmee 20 Newton werk.

Als een hefboom van 3 meter werd gebruikt, het object aan het ene uiteinde plaatsen en een draaipunt van 10 cm onder de stang plaatsen op 1 meter afstand van het object, dan zou je om het object op te tillen het andere uiteinde naar beneden moeten duwen met een kracht van slechts 5 kilogram.

Het uiteinde van de hendel zou echter 4 meter naar beneden moeten worden geduwd om het object slechts 2 meter op te tillen.

Er is een afweging. Het verlagen van de hendel verdubbelt de vorige afstand, maar vermindert de benodigde kracht met de helft, waarbij dezelfde hoeveelheid werk wordt verricht.

Soorten

Hendel

Het is een soort stijve staaf met een vast draaipunt als steunpunt. Het bestaat uit een last, het object dat moet worden verplaatst of opgetild, een draaipunt, dat het scharnierpunt is, en een inspanning, de kracht die nodig is om de last te verplaatsen of op te tillen.

Door een kracht uit te oefenen op het ene uiteinde van de hendel, ontstaat er een grotere kracht aan het andere uiteinde. De uitgeoefende kracht zal toenemen of afnemen afhankelijk van de afstand van het draaipunt tot de last en spanning.

Wiel en as

Het bestaat uit een wiel dat aan een kleinere as is bevestigd zodat deze twee delen samen roteren, waarbij een kracht van de ene naar de andere wordt overgebracht. Een scharnier ondersteunt de as, waardoor rotatie mogelijk is.

Het vergemakkelijkt het verplaatsen van objecten over afstanden. Het wiel, dat het ronde uiteinde is, draait met de cilindrische as mee, waardoor de beweging ontstaat.

Het kan ook de kracht versterken. Een kleine kracht die op de omtrek van een groot wiel wordt uitgeoefend, kan een grotere last op een as verplaatsen.

Katrol

Het is ontworpen om de beweging en verandering van richting van een strak touw te ondersteunen. Het touw wikkelt zich om een ​​wiel. Terwijl het wiel draait, beweegt het touw in elke richting.

Als een haak aan het touw is bevestigd, kan de rotatie van het wiel worden gebruikt om objecten omhoog en omlaag te brengen, wat het werk vergemakkelijkt.

Hellend vlak

Het is een plat oppervlak, met het ene uiteinde hoger dan het andere, dat wordt gebruikt als ondersteuning om een ​​last omhoog of omlaag te brengen. Ze worden veel gebruikt om zware lasten over verticale obstakels te verplaatsen.

Het verplaatsen van een object in een hellend vlak vereist minder kracht dan het direct optillen, ten koste van een grotere afgelegde afstand.

Het mechanische voordeel van een hellend vlak is gelijk aan de verhouding tussen de lengte van het hellende oppervlak en de hoogte die het beslaat.

Wieg

Het is een driehoekig gereedschap. Het kan worden gebruikt om twee objecten van elkaar te scheiden, stukken van een object te verwijderen, op te tillen of een object op zijn plaats te houden.

Het werkt door een kracht die op het stompe uiteinde wordt uitgeoefend, om te zetten in krachten die loodrecht op het hellende oppervlak staan.

Het mechanische voordeel wordt gegeven door de relatie tussen de lengte van de helling en de breedte.

Schroef

Het is een mechanisme dat de rotatiebeweging omzet in lineaire beweging en de rotatiekracht (koppel) in een lineaire kracht. Een schroef is eigenlijk een ander type hellend vlak.

De meest voorkomende vorm bestaat uit een cilindrische schacht met spiraalvormige groeven die langs de buitenkant schroefdraad worden genoemd.

De schroef gaat door een gat in een ander object of medium met interne schroefdraad die in de schroefdraad past.

Voorbeelden

Hefbomen

Enkele voorbeelden van hendels zijn deurgrepen, klauwen op een spijkerhamer, ijzeren hendels, lichtschakelaars, flesopeners en scharnieren.

Bron: pixabay.com

Wielen en assen

Ze worden gevonden waar dingen in een cirkel rondgaan, zoals een elektrische ventilator, een motor, een draaideur, een carrousel en elk wiel, of het nu in de auto is, op een skateboard of op een fiets.

Bron: pixabay.com

Katrollen

Ze worden gebruikt in gordijnen en jaloezieën om ze op en neer of heen en weer te bewegen.

Ze kunnen iets van de grond laten komen, zoals een vlag aan een paal. Het touw wordt naar beneden getrokken, maar de vlag gaat omhoog.

Ze worden ook gebruikt in de industrie om zware lasten te heffen en te laten zakken, op schepen om zeilen te heffen en te laten zakken, of in kranen die worden gebruikt op bewegende bouwmachines.

Liften gebruiken ook katrollen om de auto van verdieping naar verdieping naar beneden en omhoog te bewegen.

Bron: pixabay.com

Hellende vlakken

Ze worden gebruikt in scooterparken, rolstoelhellingen en voor zwaar materieel om de achterkant van vrachtwagens in en uit te gaan.

Gewijzigde versies van een hellingbaan zijn te vinden op trappen, roltrappen, wandelpaden en zelfs op glijbanen die worden gebruikt om post in de brievenbus te laten vallen, tot aan een trein die een helling op gaat.

Bron: pexels.com

Wieg

Enkele voorbeelden van wiggen die worden gebruikt om te scheiden, kunnen een schop, een mes, een bijl, een houweel, een zaag, een schaar of een ijspriem zijn.

Wiggen kunnen ook dingen bij elkaar houden, zoals in het geval van een nietje, spelden, spijkers, spijkers of deurstoppers.

Bron: pixabay.com

Schroef

Enkele voorbeelden zijn op een boormachine, een potdeksel, een gloeilamp, een bout, flessendoppen, kranen en pennen.

Een ander gebruik van de schroef is in een apparaat dat een schroefpomp wordt genoemd. Het is een enorme schroefvormige hydraulische machine die het water in gaat. Tijdens het roteren gaat het water dankzij de schroefvorm omhoog door de gedraaide as en stijgt naar waar het nodig is. Schroefpompen worden vaak gebruikt voor irrigatie en in agrarische omgevingen zoals boerderijen.

Bron: pixabay.com

Referenties

1. Wikipedia, de gratis encyclopedie (2019). Simpele machine. Ontleend aan: en.wikipedia.org.
2. Idaho Public Television (2019). Simpele machines: feiten. Genomen uit: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 eenvoudige machines: werk gemakkelijker maken. WordsSideKick.com. Genomen uit: livescience.com.
4. Teach Engineering (2019). Engineering: eenvoudige machines. Ontleend aan: teachengineering.org.
5. Voor docenten voor studenten (2019). Wat zijn eenvoudige machines? Genomen uit: forteachersforstudents.com.au.
6. Victoria State Government (2019). Simpele machines. Genomen uit: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). De zes soorten eenvoudige machines. Genomen van: vexrobotics.com.