Joseph Norman
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Nel corso della storia, gli esseri umani hanno sviluppato diversi dispositivi per rendere il lavoro più facile. Le più notevoli di queste sono conosciute come le "sei macchine semplici": la ruota e l'asse, la leva, il piano inclinato, la puleggia, la vite e il cuneo, sebbene le ultime tre siano in realtà solo estensioni o combinazioni della prima tre.
Poiché il lavoro è definito come la forza che agisce su un oggetto nella direzione del movimento, una macchina rende il lavoro più facile da eseguire realizzando una o più delle seguenti funzioni, secondo Jefferson Lab:
- trasferire una forza da un luogo all'altro,
- cambiare la direzione di una forza,
- aumentando la grandezza di una forza, o
- aumentando la distanza o la velocità di una forza.
Le macchine semplici sono dispositivi senza o pochissime parti mobili che facilitano il lavoro. Molti degli strumenti complessi odierni sono solo combinazioni o forme più complicate delle sei macchine semplici, secondo l'Università del Colorado a Boulder. Ad esempio, potremmo attaccare una lunga maniglia a un albero per fare un verricello, o usare un bozzello e un paranco per tirare un carico su una rampa. Sebbene queste macchine possano sembrare semplici, continuano a fornirci i mezzi per fare molte cose di cui non potremmo mai fare a meno.
Ruota e asse
La ruota è considerata una delle invenzioni più significative nella storia del mondo. "Prima dell'invenzione della ruota nel 3500 a.C., gli esseri umani erano gravemente limitati nella quantità di materiale che potevamo trasportare sulla terra e in quanto lontano", ha scritto Natalie Wolchover nell'articolo "Le 10 migliori invenzioni che hanno cambiato il mondo". "I carrelli a ruote hanno facilitato l'agricoltura e il commercio consentendo il trasporto di merci da e verso i mercati, oltre ad alleviare il peso delle persone che percorrono grandi distanze".
La ruota riduce notevolmente l'attrito riscontrato quando un oggetto viene spostato su una superficie. "Se metti il tuo schedario su un piccolo carrello con ruote, puoi ridurre notevolmente la forza che devi applicare per spostare il cabinet a velocità costante", secondo l'Università del Tennessee.
Nel suo libro "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels scrive: "In alcune parti del mondo, oggetti pesanti come rocce e barche venivano spostati utilizzando rulli di legno. Man mano che l'oggetto si spostava in avanti, i rulli sono stati presi da dietro e sostituiti davanti ". Questo è stato il primo passo nello sviluppo della ruota.
La grande innovazione, però, è stata il montaggio di una ruota su un asse. La ruota potrebbe essere fissata a un asse supportato da un cuscinetto, oppure potrebbe essere fatta girare liberamente attorno all'asse. Ciò ha portato allo sviluppo di carri, carri e carri. Secondo Samuels, gli archeologi usano lo sviluppo di una ruota che ruota su un asse come indicatore di una civiltà relativamente avanzata. Le prime testimonianze di ruote su assi risalgono al 3200 a.C. circa. dai Sumeri. I cinesi inventarono indipendentemente la ruota nel 2800 a.C. [Correlati: Perché ci è voluto così tanto tempo per inventare la ruota]
Forza moltiplicatori
Oltre a ridurre l'attrito, una ruota e un asse possono anche fungere da moltiplicatore di forza, secondo Science Quest di Wiley. Se una ruota è fissata a un asse e viene utilizzata una forza per far girare la ruota, la forza di rotazione, o coppia, sull'asse è molto maggiore della forza applicata al cerchio della ruota. In alternativa, è possibile attaccare una lunga maniglia all'asse per ottenere un effetto simile.
Le altre cinque macchine aiutano tutte le persone ad aumentare e / o reindirizzare la forza applicata a un oggetto. Nel loro libro "Moving Big Things" (It's about time, 2009), Janet L. Kolodner ei suoi coautori scrivono: "Le macchine forniscono un vantaggio meccanico per aiutare gli oggetti in movimento. Il vantaggio meccanico è il compromesso tra forza e distanza. " Nella seguente discussione sulle macchine semplici che aumentano la forza applicata al loro input, trascureremo la forza di attrito, perché nella maggior parte di questi casi la forza di attrito è molto piccola rispetto alle forze di input e output coinvolte.
Quando una forza viene applicata su una distanza, produce lavoro. Matematicamente, questo è espresso come W = F × D. Ad esempio, per sollevare un oggetto, dobbiamo lavorare per superare la forza dovuta alla gravità e spostare l'oggetto verso l'alto. Per sollevare un oggetto che è due volte più pesante, è necessario il doppio del lavoro per sollevarlo alla stessa distanza. Ci vuole anche il doppio del lavoro per sollevare lo stesso oggetto il doppio. Come indicato dalla matematica, il vantaggio principale delle macchine è che ci consentono di fare la stessa quantità di lavoro applicando una quantità minore di forza su una distanza maggiore.
Leva
"Dammi una leva e un posto dove stare, e sposterò il mondo." Questa affermazione vanagloriosa è attribuita al filosofo, matematico e inventore greco del III secolo Archimede. Sebbene possa essere un po 'esagerato, esprime il potere della leva finanziaria, che, almeno in senso figurato, muove il mondo.
Il genio di Archimede fu di rendersi conto che per ottenere la stessa quantità o lavoro, si poteva fare un compromesso tra forza e distanza usando una leva. La sua legge della leva afferma: "Le magnitudini sono in equilibrio a distanze reciprocamente proporzionali ai loro pesi", secondo "Archimedes in the 21st Century", un libro virtuale di Chris Rorres della New York University.
La leva è costituita da una lunga trave e da un fulcro o perno. Il vantaggio meccanico della leva dipende dal rapporto tra le lunghezze della trave su entrambi i lati del fulcro.
Ad esempio, supponiamo di voler sollevare un peso di 100 libbre. (45 chilogrammi) pesa 2 piedi (61 centimetri) da terra. Possiamo esercitare 100 libbre. di forza sul peso nella direzione verso l'alto per una distanza di 2 piedi, e abbiamo svolto un lavoro di 200 libbra-piedi (271 Newton-metri). Tuttavia, se dovessimo usare una leva da 9 m con un'estremità sotto il peso e un fulcro da 30,5 cm posto sotto la trave a 3 m dal peso, avremmo solo spingere verso il basso sull'altra estremità con 50 libbre. (23 kg) di forza per sollevare il peso. Tuttavia, dovremmo spingere l'estremità della leva verso il basso di 4 piedi (1,2 m) per sollevare il peso di 2 piedi. Abbiamo fatto un compromesso in cui abbiamo raddoppiato la distanza che dovevamo spostare la leva, ma abbiamo ridotto della metà la forza necessaria per svolgere la stessa quantità di lavoro.
Piano inclinato
Il piano inclinato è semplicemente una superficie piana sollevata ad angolo, come una rampa. Secondo Bob Williams, professore del dipartimento di ingegneria meccanica presso il Russ College of Engineering and Technology dell'Università dell'Ohio, un aereo inclinato è un modo per sollevare un carico che sarebbe troppo pesante per essere sollevato direttamente. L'angolo (la pendenza del piano inclinato) determina lo sforzo necessario per sollevare il peso. Più la rampa è ripida, maggiore è lo sforzo richiesto. Ciò significa che se solleviamo le nostre 100 libbre. peso 2 piedi facendolo rotolare su una rampa di 4 piedi, riduciamo la forza necessaria della metà mentre raddoppia la distanza che deve essere spostata. Se dovessimo usare una rampa da 8 piedi (2,4 m), potremmo ridurre la forza necessaria a sole 25 libbre. (11,3 kg).
Puleggia
Se vogliamo sollevare le stesse 100 libbre. peso con una corda, potremmo attaccare una puleggia a una trave sopra il peso. Questo ci permetterebbe di tirare giù invece che su sulla corda, ma richiede comunque 100 libbre. di forza. Tuttavia, se dovessimo usare due pulegge - una attaccata alla trave sopraelevata e l'altra attaccata al peso - e dovessimo attaccare un'estremità della fune alla trave, farla passare attraverso la puleggia sul peso e poi attraverso la carrucola sulla trave, dovremmo tirare la fune solo con 50 libbre. di forza per sollevare il peso, anche se dovremmo tirare la corda di 4 piedi per sollevare il peso di 2 piedi. Ancora una volta, abbiamo scambiato una distanza maggiore con una forza ridotta.
Se vogliamo usare ancora meno forza su una distanza ancora maggiore, possiamo usare un blocco e un placcaggio. Secondo i materiali del corso dell'Università della Carolina del Sud, "Un paranco è una combinazione di pulegge che riduce la quantità di forza richiesta per sollevare qualcosa. Il compromesso è che per un paranco è necessaria una lunghezza maggiore di corda. per spostare qualcosa alla stessa distanza. "
Per quanto semplici siano le pulegge, trovano ancora impiego nelle nuove macchine più avanzate. Ad esempio, Hangprinter, una stampante 3D in grado di costruire oggetti delle dimensioni di un mobile, utilizza un sistema di cavi e pulegge controllate da computer ancorate a pareti, pavimento e soffitto.
Vite
"Una vite è essenzialmente un lungo piano inclinato avvolto attorno a un albero, quindi il suo vantaggio meccanico può essere affrontato allo stesso modo dell'inclinazione", secondo HyperPhysics, un sito web prodotto dalla Georgia State University. Molti dispositivi utilizzano viti per esercitare una forza molto maggiore della forza utilizzata per ruotare la vite. Questi dispositivi includono morse da banco e dadi ad alette sulle ruote delle automobili. Guadagnano un vantaggio meccanico non solo dalla vite stessa ma anche, in molti casi, dalla leva di una lunga maniglia utilizzata per girare la vite.
Cuneo
Secondo il New Mexico Institute of Mining and Technology, "I cunei muovono piani inclinati che vengono spinti sotto i carichi da sollevare, o in un carico da dividere o separare". Un cuneo più lungo e più sottile offre un vantaggio meccanico maggiore rispetto a un cuneo più corto e più largo, ma un cuneo fa qualcos'altro: la funzione principale di un cuneo è cambiare la direzione della forza di input. Ad esempio, se vogliamo dividere un tronco, possiamo spingere un cuneo verso il basso all'estremità del tronco con grande forza usando una mazza, e il cuneo reindirizzerà questa forza verso l'esterno, facendo spaccare il legno. Un altro esempio è un fermaporta, in cui la forza utilizzata per spingerlo sotto il bordo della porta viene trasferita verso il basso, determinando una forza di attrito che resiste allo scivolamento sul pavimento.
Segnalazione aggiuntiva di Charles Q. Choi, collaboratore
Risorse addizionali
- John H. Lienhard, professore emerito di ingegneria meccanica e storia all'Università di Houston, dà "un'altra occhiata all'invenzione della ruota".
- Il Center of Science and Industry di Columbus, Ohio, ha una spiegazione interattiva di macchine semplici.
- HyperPhysics, un sito web prodotto dalla Georgia State University, ha illustrato le spiegazioni delle sei semplici macchine.
Trova alcune attività divertenti che coinvolgono macchine semplici al Museum of Science and Industry di Chicago.