Maszyny proste

Maszyny proste są to urządzenia, które w swoim działaniu wykorzystują różne prawa fizyczne, tak aby używając jak najmniejszej siły przesunąć, podnieść lub rozszczepić jakieś ciało. Główną zasadą ich działania jest to, że praca jaką należałoby wykonać aby daną czynność wykonać jest zamieniona na tą samą pracę, jednak przy wykorzystaniu znacznie mniejszej siły, ale zwiększeniu drogi na której ta siła ma działać. Tak, więc, ważne jest aby pamiętać, że z fizycznego punktu widzenia maszyny proste nie zmniejszają potrzebnej pracy do wykonania określonej czynności, a jedynie ułatwiają człowiekowi jej wykonanie. Często się zdarza, że maszyny proste stanowią elementy składowe maszyn bardziej skomplikowanych. Od kiedy znamy maszyny proste? Prawo równowagi dźwigni zostało odkryte ponad 2200 lat temu przez żyjącego w Syrakuzach Archimedesa. Używał on dźwigni do budowy machin broniących miasto przed wrogiem. Machiny te wyrzucały w kierunku wroga pociski z kamieniami. Archimedes używał dźwigni do podnoszenia wielkich kamieni. Znane jest jego powiedzenie "Dajcie mi punkt podparcia, a poruszę Ziemię" Na zasadzie dźwigni działają nożyce pochodzące z okresu 1000 lat p.n.e. Były używane w Azji i Europie. Składały się z dwóch ostrzy z brązu połączonych w uchwycie sprężyną. Blok nieruchomy używano już w Asyrii 800 lat p.n.e. Pierwszy wielokrążek zbudował Archimedes. Przy pomocy dźwigni, kołowrotu i wielokrążków dokonał wodowania największych statków. Kołowrót stosowano już 2200 lat p.n.e. w Chinach, potem pomysł wykorzystano między innymi w ogrodach Semiramidy na Dalekim Wschodzie. W Grecji w IV wieku p.n.e. skonstruowano olbrzymie katapulty miotające kamienie, w których kołowrotu używano do naciągania wyrzutni. Obecne zastosowanie maszyn prostych.

Maszyny proste obecnie wykorzystuje się praktycznie wszędzie. Począwszy od lekcji fizyki, gdzie z ich wykorzystaniem tłumaczone są uczniom podstawowe prawa fizyczne, poprzez place budowy, gdzie wykorzystuje się je do przenoszenia i podnoszenia różnych materiałów, kończąc na wyspecjalizowanych robotach. W wielu aspektach życia codziennego spotykamy się z maszynami prostymi. To dzięki nim korzystamy z takich urządzeń jak rower, huśtawka, nożyczki, obcęgi, czy wagi.

Dźwignia dwustronna

Dźwignię dwustronną najczęściej tworzy kawałek drewna, belka, lub metalowy pręt. Oprócz tego w skład dźwigni wchodzi także punkt podparcia, który to powinien być niewielkim wzniesieniem, wystającym z podłoża. Punkt ten powinien znajdować się pomiędzy końcami belki. Punkt podparcia stanowi także punkt, wokół którego dźwignia może się obracać - wyznacza jej oś obrotu. Na jednym z końców dźwigni powinien się znajdować ciężar, który to zamierzamy podnieść.

Dźwignie najczęściej stanowi kawałek pręta, deski, lub zwyczajny kij. Model dźwigni możemy stworzyć przy pomocy zwykłej linijki, jak to pokazano na rysunku poniżej:

Przy opisie sił działających na dźwignię korzysta się z dwóch pojęć - dwóch rodzajów sił:

- siła użyteczna - jest to siła która jest potrzebna do określonej czynności (np. do podniesienia ciała) - jest to na ogół większa siła

- siła działania - jest to siła z jaką musimy podziałać na jeden z końców dźwigni, aby zamienić ją na siłę użyteczną

Jak widzimy na rysunku powyżej, punkt podparcia wyznacza oś obrotu, która znajduje się pomiędzy siłą użyteczną, a siłą działania. Dzięki temu zwroty obu sił są do siebie przeciwnie skierowane. Aby podnieść ciało do góry musimy zadziałać siłą działania, która jest mniejsza od siły obciążenia, a która jest zamieniana na siłę użyteczną, równoważącą ciężar ciała.

W dźwigni dwustronnej można wyróżnić dwa ramiona:

- ramię siły działania, które to rozciąga się od punktu podparcia do punktu zaczepienia wektora siły działania

- ramię siły użytecznej, które to rozciąga się o punktu podparcia do punktu zaczepienia wektora siły użytecznej

Zasadę działania dźwigni dwustronnej wykorzystywał człowiek od dawna do podnoszenia ciężarów. Najstarszą formą dźwigni dwustronnej, znaną już w epoce kamiennej, były żurawie używane do podnoszenia ciężarów. Żurawie zachowały się do dnia dzisiejszego w postaci żurawi studziennych. Można je jeszcze (chociaż coraz rzadziej) zobaczyć podczas wakacyjnych wędrówek.

Współczesne dźwignie dwustronne stosowane są jako element konstrukcyjny wielu narzędzi np.: nożyczek, obcęgów, otwieraczy do konserw, różnych przyrządów pomiarowych, częsci maszyn, np. w dźwigni zmiany biegów w samochodzie, dźwigni zaworów w silniku, dźwigni sterowania obrabiarkami oraz w urządzeniach dźwigniowych.

Dźwignia dwustronna jest w równowadze gdy:

Iloczyn długości jednego ramienia i wartości siły działającej na to ramię jest równy iloczynowi długości drugiego ramienia i wartości siły działającej na to ramię: r1*F1=r2*F2

Dźwignia jednostronna

Dźwignia jednostronna także jest wykorzystywana do podnoszenia ciężkich przedmiotów, czy ich podważania. Jest to taki sam rodzaj belki, drążka, czy pręta, jak w przypadku dźwigni dwustronnej, jednak z tą różnicą, że punkt podparcia znajduje się na jednym z jej końców. W tym wypadku siła działania jest przyłożona po tej samej stronie osi obrotu co siła użyteczna.

Na powyższym rysunku przedstawiono przykład działania dźwigni jednostronnej. Siła jaką należy podziałać, aby utrzymać trzy bateryjki jest tym mniejsza, im bliżej znajdują się one punktu podparcia.

Z kolei na poniższym rysunku widzimy rozrysowane siły jakie działają na przedmiot umieszczony na dźwigni, oraz siły działające na dźwignię. Jak widać podniesienie przedmiotu wymaga użycia siły działania, która to jest mniejsza od ciężaru siły. Zauważmy też, że inaczej niż to było w przypadku dźwigni dwustronnej, tym razem siła działania i siła użyteczna mają zwroty skierowane w tym samym kierunku.

Dźwignia jednostronna, podobnie jak i dwustronna posiada dwa ramiona. Z tą jednak różnicą, że oba one znajdują się po tej samej stronie osi obrotu dźwigni (z racji tego, że punktu podparcia znajduje się na jednym z końców dźwigni) i co więcej ramiona te po części nakładają się na siebie.

Blok nieruchomy

Blok złożony jest z krążka. Na całej długości jego obwodu znajduje się wgłębienie na tyle głębokie, że można przez nie przeciągnąć linę. Na jednym z końców linki zawieszone jest ciało podnoszone, zaś drugi jej koniec poddany jest działaniu siły na tyle dużej, by uniesienie przedmiotu z drugiego końca było możliwe.

Cechą charakterystyczną bloku nieruchomego jest to, że siła przyłożona do wolnego końca liny jest co do wartości równa sile, jaką należałoby przyłożyć w przypadku podnoszenia ciężaru bez użycia urządzenia (dźwigni, bloku). Pozornie wydaje się więc, że użycie bloku nie ma dużego sensu. Dowiedziono jednak, że zastosowanie bloku nieruchomego ułatwia wykonanie pracy nad ciałem ciężkim. O wiele prościej jest użyć dźwigni, celem uniesienia ciężaru, ciągnąć jedynie linę pionowo w dół, niż unieść ciężar ciągnąc go pionowo ku górze. Wynika stąd powszechnie stosowanie urządzenia w pracach budowlanych, przemyśle, rolnictwie i innych działach gospodarki.

Blok nieruchomy jest szczególnym przypadkiem dźwigni dwustronnej o równych ramionach.

Jedno z pierwszych zastosowań bloku nieruchomego to urządzenia do zwijania i rozwijania żagli na statkach, znane już w epoce Średniowiecza.

Przy korzystaniu z bloku nieruchomego nie zmienia się wartość siły - zmienia się jej kierunek działania. Blok nieruchomy jest w równowadze gdy: F1=F2

Blok ruchomy

Blok ruchomy jest maszyną prosta wynalezioną nieco później niż blok nieruchomy i opartą na podobnych zasadach. Jedyna różnica w działaniu polega na tym, że tarcza jego może swobodnie obracać się przy interakcji z siłą działającą na linę. Umożliwia to osiągnięcie tego samego efektu wykonanej pracy przy przyłożeniu z zewnątrz mniejszej siły niż dla przypadku bloku nieruchomego. Dlatego też blok ruchomy jest częściej stosowany w technice lub też zalety obu rodzajów maszyn prostych są łączone poprzez konstruowanie urządzeń będących kombinacją obu typów bloku. Takie połączenie popularne jest zwłaszcza w przypadku podnośników samochodowych, gdzie możliwe jest stosowanie bardzo malej przyłożonej siły, a w rezultacie łatwe uniesienie tak masywnego przedmiotu, jakim jest samochód. Blok ruchomy działa na zasadzie dźwigni jednostronnej. Wartość siły, jaką należy przyłożyć, stosując blok ruchomy, jest dwa razy mniejsza niż podnoszony ciężar. Blok ruchomy jest w równowadze gdy: F1=2F2

Kołowrót

Zasada działania kołowrotu jest praktycznie identyczna z zasadą działania dźwigni. Różnica polega na tym, że korzystając z kołowrotu, można podnosić i przesuwać przedmioty na znaczne odległości. Poza tym kołowrót jest mechanizmem bardziej skomplikowanym od dźwigni, gdyż składa się z takich elementów, jak korba, wał, czy linka.

Kołowrót pod względem działania, może w pewnych momentach przypominać mechanizm działania dźwigni jednostronnej, a w innych dwustronnej.

Urządzenie to znalazło zastosowanie w studniach, z których wyciąga się wodę za pomocą kołowrotu studziennego. Wzór : R*F1=r*F2

Kołowrót zastosowany do wyciągania wody ze studni

Równia pochyła

Równia pochyła jest obiektem bardzo często wykorzystywanym przez nauczycieli do demonstracji podstawowych sił działających na ciało. Przez to też, równia stała się zmorą wszystkich uczniów, szczególnie w pierwszych ich etapach poznawania fizyki. Dzięki równi pochyłej można stosunkowo łatwo, z punktu widzenia nauczyciela wytłumaczyć uczniom, zasady, jakie stosuje się w mechanice do opisania sił działających na dane ciało.

Równia pochyła to najczęściej deska położona pod pewnym kątem do poziomu. Dzięki zastosowaniu równi pochyłej, możliwe staje się wyniesienie ciała obdarzonego ciężarem na znaczną wysokość, przy stosunkowo niewielkiej sile działającej na to ciało (mniejszej od jego ciężaru). Dzięki temu, że powierzchnia równi jest nachylona pod pewnym kątem do poziomu, siła ciężkości działająca na ciało rozkłada się na dwie składowe. Aby przesunąć ciało w górę równi musimy zastosować tylko siłę przewyższającą jedną z tych składowych. Chociaż droga w tym wypadku jest większa, niż gdyby to ciało bezpośrednio podnieść do góry, to siła do potrzebna na wyniesienie ciała na tą wysokość jest znacznie mniejsza. Z zastosowaniem równi pochyłej, spotykamy się na każdym kroku w naszym życiu codziennym. Np. aby umożliwić samochodem wjechanie na jakąś wysokość, buduje się drogi nachylone pod pewnym kątem do poziomu, ponieważ samochód nie mógłby wjechać na dane wzniesienie po pionowej ścianie. Samochód nie ma takiej mocy, aby pokonać własny ciężar, dlatego siła ciężkości musi zostać rozłożona za pomocą równi na składowe.

Wartość siły utrzymującej ciało w równowadze na równi pochyłej jest tyle razy mniejesza od wartości jego ciężaru, ile razy wysokość równi jest mniejsza od jej długości.

Klin

Klin jest szczególnym wykorzystaniem równi pochyłej. Jest on wykorzystywany do rozdzielania silnie ze sobą połączonych powierzchni, lub wręcz do rozdzielania ciał na części (np. do rozszczepiania kawałków drewna).

Klin jest bardzo efektywnym narzędziem, ponieważ może dostarczać bardzo dużego zysku na sile.

Źródła informacji :

• www.bryk.pl

• odpowiedz.pl

• "Fizyka i astronomia dla gimnazjum” Moduł 2: Mechanika. Ciepło. Podręcznik - Nowa Era

• www.sciaga.pl