ตลอดประวัติศาสตร์มนุษย์ได้พัฒนาอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อให้ทำงานง่ายขึ้น สิ่งที่น่าสังเกตมากที่สุดของสิ่งเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันในนาม "หกเครื่องจักรง่าย ๆ ": ล้อและเพลาคันโยกที่เอียงระนาบรอกสกรูและลิ่มแม้ว่าหลังจริง ๆ แล้วเป็นเพียงการขยายหรือการรวมกันของสามคนแรก สาม.
เนื่องจากงานถูกกำหนดให้เป็นแรงที่กระทำกับวัตถุในทิศทางของการเคลื่อนไหวเครื่องจักรทำให้การทำงานง่ายขึ้นโดยการทำหน้าที่ต่อไปนี้อย่างน้อยหนึ่งฟังก์ชันตาม Jefferson Lab:
- ถ่ายโอนแรงจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง
- เปลี่ยนทิศทางของแรง
- การเพิ่มขนาดของกำลังหรือ
- เพิ่มระยะทางหรือความเร็วของแรง
เครื่องจักรที่เรียบง่ายคืออุปกรณ์ที่ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวน้อยหรือน้อยทำให้การทำงานง่ายขึ้น เครื่องมือที่ซับซ้อนในปัจจุบันจำนวนมากเป็นเพียงการรวมกันหรือรูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นของเครื่องจักรง่าย ๆ หกเครื่องตามมหาวิทยาลัยโคโลราโดที่โบลเดอร์ ตัวอย่างเช่นเราอาจแนบมือจับยาวกับเพลาเพื่อทำเครื่องกว้านหรือใช้บล็อกและอุปกรณ์เพื่อดึงโหลดขึ้นทางลาด แม้ว่าเครื่องจักรเหล่านี้อาจดูเรียบง่าย แต่พวกเขายังคงให้วิธีการในการทำสิ่งต่าง ๆ ที่เราไม่สามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้
ล้อและเพลา
ล้อถือเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ของโลก "ก่อนการคิดค้นล้อใน 3,500 ปีก่อนคริสตกาลมนุษย์ถูก จำกัด อย่างรุนแรงในสิ่งที่เราสามารถขนส่งทางบกและไกลแค่ไหน" Natalie Wolchover เขียนไว้ในบทความวิทยาศาสตร์ชีวภาพ "10 สุดยอดสิ่งประดิษฐ์ที่เปลี่ยนโลก" "เกวียนล้อช่วยอำนวยความสะดวกด้านการเกษตรและการพาณิชย์ด้วยการเปิดใช้งานการขนส่งสินค้าไปและกลับจากตลาดรวมถึงการลดภาระของผู้คนที่เดินทางระยะทางไกล"
ล้อช่วยลดแรงเสียดทานที่พบเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิว "ถ้าคุณใส่ตู้เก็บเอกสารของคุณลงในรถเข็นขนาดเล็กที่มีล้อคุณสามารถลดแรงที่คุณต้องการเพื่อเคลื่อนย้ายตู้ด้วยความเร็วคงที่" มหาวิทยาลัยเทนเนสซีกล่าว
ในหนังสือของเขาที่ชื่อว่า "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels เขียน "ในส่วนของโลกวัตถุขนาดใหญ่เช่นหินและเรือถูกเคลื่อนย้ายโดยใช้ท่อนซุงขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ไปข้างหน้าลูกกลิ้ง ถูกพรากไปจากด้านหลังและแทนที่หน้า " นี่เป็นขั้นตอนแรกในการพัฒนาล้อ
แม้ว่านวัตกรรมที่ยอดเยี่ยมนั้นกำลังอยู่ในการติดตั้งล้อบนเพลา ล้อสามารถติดตั้งกับเพลาที่รองรับโดยตลับลูกปืนหรือสามารถหมุนได้อย่างอิสระเกี่ยวกับเพลา สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาเกวียนเกวียนและรถม้า นักโบราณคดีใช้การพัฒนาวงล้อที่หมุนบนเพลาเป็นตัวบ่งชี้ถึงอารยธรรมที่ค่อนข้างก้าวหน้า หลักฐานที่เก่าที่สุดของล้อบนเพลามาจากประมาณ 3200 B.C โดยสุเมเรียน ชาวจีนคิดค้นล้ออิสระในปี 2800
แรงทวีคูณ
นอกเหนือจากการลดแรงเสียดทานแล้วล้อและเพลายังสามารถทำหน้าที่เป็นตัวคูณแรงตามการสำรวจของ Science จาก Wiley หากล้อติดกับเพลาและใช้แรงหมุนล้อแรงหมุนหรือแรงบิดบนเพลามากกว่าแรงที่ใช้กับขอบล้อ นอกจากนี้ยังสามารถใช้มือจับยาวกับเพลาเพื่อให้ได้ผลที่คล้ายกัน
อีกห้าเครื่องช่วยมนุษย์เพิ่มและ / หรือเปลี่ยนทิศทางแรงที่ใช้กับวัตถุ ในหนังสือ "Moving Big Things" (เกี่ยวกับเวลา, 2009), Janet L. Kolodner และผู้เขียนร่วมของเธอเขียนว่า "เครื่องจักรให้ความได้เปรียบเชิงกลเพื่อช่วยในการเคลื่อนย้ายวัตถุข้อดีทางกลคือการแลกเปลี่ยนระหว่างแรงกับระยะทาง " ในการสนทนาต่อไปนี้ของเครื่องจักรง่าย ๆ ที่เพิ่มแรงที่ใช้กับอินพุตของพวกเขาเราจะละเลยแรงเสียดทานเพราะในกรณีส่วนใหญ่แรงเสียดทานนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงเข้าและกำลังที่เกี่ยวข้อง
เมื่อแรงถูกนำไปใช้ในระยะไกลมันจะสร้างงาน ในทางคณิตศาสตร์นี่แสดงเป็น W = F × D ตัวอย่างเช่นในการยกวัตถุเราต้องทำงานเพื่อเอาชนะแรงที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงและเคลื่อนย้ายวัตถุขึ้นด้านบน ในการยกวัตถุที่มีน้ำหนักมากเป็นสองเท่าจะต้องใช้ระยะเวลาในการยกเท่ากัน นอกจากนี้ยังต้องใช้งานมากเป็นสองเท่าในการยกวัตถุเดียวกันสองครั้ง ตามที่ระบุไว้โดยทางคณิตศาสตร์ประโยชน์หลักของเครื่องจักรคือพวกเขาอนุญาตให้เราทำงานในปริมาณเดียวกันโดยใช้แรงเล็กน้อยในระยะที่ไกลกว่า
คันโยก
"ให้คันโยกและที่ยืนแก่ฉันและฉันจะย้ายโลก" การอ้างสิทธิ์ที่โอ้อวดนี้มีสาเหตุมาจากนักปรัชญาชาวกรีกนักคณิตศาสตร์และนักประดิษฐ์ชาวอาร์คิมีดีสในศตวรรษที่สาม แม้ว่ามันอาจจะเป็นการพูดเกินจริง แต่ก็แสดงถึงพลังของการใช้ประโยชน์ซึ่งอย่างน้อยก็เปรียบเปรยที่จะเคลื่อนไหวโลก
อัจฉริยะของอาร์คิมีดีสคือการตระหนักว่าเพื่อให้บรรลุปริมาณหรืองานที่เหมือนกันเราสามารถทำการแลกเปลี่ยนระหว่างกำลังและระยะทางโดยใช้คันโยก กฎของ Lever ระบุว่า“ ขนาดอยู่ในสมดุลที่ระยะทางซึ่งกันและกันตามสัดส่วนน้ำหนักของพวกเขา” อ้างอิงจาก“ Archimedes in the ศตวรรษที่ 21” หนังสือเสมือนจริงของ Chris Rorres ที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก
ก้านประกอบด้วยคานที่ยาวและศูนย์กลางหรือเดือย ความได้เปรียบเชิงกลของคันโยกขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความยาวของลำแสงทั้งสองด้านของศูนย์กลาง
ตัวอย่างเช่นสมมติว่าเราต้องการยก 100 ปอนด์ (45 กิโลกรัม) น้ำหนัก 2 ฟุต (61 เซนติเมตร) จากพื้นดิน เราสามารถออกแรง 100 ปอนด์ ของแรงต่อน้ำหนักในทิศทางขึ้นไปเป็นระยะทาง 2 ฟุตและเราได้ทำงาน 200 ปอนด์ (271 นิวตัน - เมตร) อย่างไรก็ตามหากเราต้องใช้คันโยก 30 ฟุต (9 ม.) โดยมีปลายด้านหนึ่งอยู่ใต้น้ำหนักและศูนย์กลาง 1 ฟุต (30.5 ซม.) วางไว้ใต้คาน 10 ฟุต (3 เมตร) จากน้ำหนักเราจะมีเพียง เพื่อดันลงอีกด้านหนึ่งด้วย 50 ปอนด์ (23 กิโลกรัม) ของแรงยกน้ำหนัก อย่างไรก็ตามเราจะต้องผลักคันโยกให้สุดลง 4 ฟุต (1.2 ม.) เพื่อยกน้ำหนัก 2 ฟุต เราทำการแลกเปลี่ยนซึ่งเราเพิ่มระยะทางเป็นสองเท่าในการเลื่อนคันโยก แต่เราลดแรงที่ต้องการลงครึ่งหนึ่งเพื่อทำงานในปริมาณเท่ากัน
ระนาบเอียง
ระนาบที่ลาดเอียงเป็นพื้นผิวเรียบที่ยกขึ้นเป็นมุมเช่นทางลาด ตามที่บ๊อบวิลเลียมส์ศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลแห่งวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งมหาวิทยาลัยโอไฮโอแห่งมหาวิทยาลัยเครื่องบินลาดเอียงเป็นวิธีหนึ่งในการยกภาระที่หนักเกินไปที่จะยกขึ้นตรง มุม (ความชันของระนาบเอียง) กำหนดความพยายามในการเพิ่มน้ำหนัก ทางลาดชันยิ่งต้องใช้ความพยายามมากเท่านั้น นั่นหมายความว่าถ้าเรายก 100 ปอนด์ของเรา น้ำหนัก 2 ฟุตโดยหมุนเป็นทางลาด 4 ฟุตเราลดแรงที่จำเป็นลงครึ่งหนึ่งในขณะที่ระยะทางเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า หากเราต้องใช้ทางลาด 8 ฟุต (2.4 ม.) เราสามารถลดแรงที่จำเป็นลงได้เพียง 25 ปอนด์ (11.3 กก.)
ลูกรอก
ถ้าเราต้องการยกที่ 100 ปอนด์เดียวกัน น้ำหนักด้วยเชือกเราสามารถมัดรอกกับลำแสงที่อยู่เหนือน้ำหนัก นี่จะให้เราดึงลงแทนที่จะขึ้นบนเชือก แต่ก็ยังต้องใช้ 100 ปอนด์ ของแรง อย่างไรก็ตามถ้าเราต้องใช้รอกสองตัว - อันหนึ่งติดอยู่กับลำแสงด้านบนและอีกอันติดอยู่กับน้ำหนัก - และเราต้องติดปลายด้านหนึ่งของเชือกเข้ากับลำแสงวิ่งผ่านลูกรอกที่น้ำหนักแล้วผ่าน รอกบนคานเราจะต้องดึงเชือกที่มีน้ำหนัก 50 ปอนด์เท่านั้น แรงที่จะยกน้ำหนักได้แม้ว่าเราจะต้องดึงเชือก 4 ฟุตเพื่อยกน้ำหนัก 2 ฟุต อีกครั้งเราได้แลกเปลี่ยนระยะทางที่เพิ่มขึ้นสำหรับแรงที่ลดลง
หากเราต้องการใช้กำลังที่น้อยลงในระยะที่ไกลกว่านั้นเราสามารถใช้บล็อกและอุปกรณ์ต่อสู้ได้ จากข้อมูลหลักสูตรของมหาวิทยาลัยเซาท์แคโรไลนาระบุว่า "บล็อกและรอกคือการรวมกันของรอกซึ่งช่วยลดปริมาณของแรงที่ต้องใช้ในการยกของบางอย่างการแลกเปลี่ยนคือความยาวของเชือกที่ยาวกว่าสำหรับบล็อกและรอก เพื่อย้ายบางสิ่งในระยะทางเดียวกัน "
ง่ายเหมือนรอกพวกเขายังคงค้นหาการใช้งานในเครื่องจักรใหม่ที่ทันสมัยที่สุด ตัวอย่างเช่น Hangprinter ซึ่งเป็นเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่สามารถสร้างวัตถุที่มีขนาดเฟอร์นิเจอร์ใช้ระบบสายไฟและรอกที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ซึ่งยึดติดกับผนังพื้นและเพดาน
สกรู
“ สกรูเป็นระนาบแนวยาวที่พันรอบเพลาดังนั้นความได้เปรียบเชิงกลของมันจึงสามารถเข้าหาได้ในลักษณะเดียวกับแนวเอียง” HyperPhysics ซึ่งเป็นเว็บไซต์ที่ผลิตโดย Georgia State University กล่าว อุปกรณ์จำนวนมากใช้สกรูเพื่อออกแรงแรงที่มากกว่าแรงที่ใช้ในการหมุนสกรู อุปกรณ์เหล่านี้รวมถึงม้านั่งและน็อตยึดบนล้อรถยนต์ พวกเขาได้รับประโยชน์เชิงกลไม่เพียง แต่จากสกรูตัวเอง แต่ในหลาย ๆ กรณีจากการใช้ประโยชน์จากด้ามยาวที่ใช้ในการหมุนสกรู
ลิ่ม
ตามที่สถาบันการเหมืองแร่และเทคโนโลยีนิวเม็กซิโกระบุว่า "Wedges กำลังเคลื่อนที่เครื่องบินแบบลาดเอียงซึ่งถูกขับเคลื่อนภายใต้แรงที่จะบรรทุก อีกต่อไปลิ่มที่บางกว่าให้ความได้เปรียบเชิงกลมากกว่าลิ่มที่สั้นกว่าและกว้างกว่า แต่ลิ่มนั้นทำสิ่งอื่น: หน้าที่หลักของลิ่มคือการเปลี่ยนทิศทางของแรงที่ป้อนเข้า ตัวอย่างเช่นหากเราต้องการแยกบันทึกเราสามารถผลักลิ่มลงไปที่จุดสิ้นสุดของบันทึกด้วยแรงอันยิ่งใหญ่โดยใช้ค้อนขนาดใหญ่และลิ่มจะเปลี่ยนทิศทางแรงนี้ออกไปด้านนอกทำให้ไม้แตกออก อีกตัวอย่างหนึ่งคือ doorstop ซึ่งแรงที่ใช้ในการผลักมันภายใต้ขอบประตูถูกถ่ายลงด้านล่างทำให้เกิดแรงเสียดทานที่ต่อต้านการเลื่อนผ่านพื้น
ค้นหากิจกรรมสนุก ๆ ที่เกี่ยวข้องกับเครื่องจักรง่าย ๆ ที่พิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมในชิคาโก
