Maszyny proste - przykłady

Maszyny proste

Maszyny proste- są to urządzenia, które pozwalają na użycie niewielkiej siły przy podnoszeniu, przesuwaniu ciężarów lub rozszczepianiu materiałów. Maszyny proste znane były już w starożytności. O dźwigniach i kołowrotkach pisał grecki uczony Arystoteles w IV w.p.n.e. Wiadomo także, że znał je Archimedes. Przy zastosowaniu maszyn prostych (kołowrotków, dzwigni i krążków) samodzielnie spuścił na wodę największy z ówczesnych okrętów- trójmasztowiec „Syrakuzję”. Istotą ich działania jest zmiana pracy siły działającej na pewnej drodze na prace mniejszej siły na odpowiednio dłuższej drodze. Należy pamiętać, że maszyny proste nie zmniejszają pracy, ułatwiają jedynie jej wykonanie. Maszyny proste mogą być tez elementami konstrukcji innych maszyn. Do typowych i najbardziej znanych maszyn prostych zaliczamy:

Dźwignie

Dźwignia to zazwyczaj kawałek deski, czy drążka. Przykładem prostej dźwigni może być też linijka.

Na powyższej fotografii linijka służy za przykład dźwigni dwustronnej. Dwie bateryjki ustawione w odległości ok. 4 cm od punktu podparcia dźwigni równoważą jedną bateryjkę ustawioną w odległości 2 razy większej. 

Dźwignie służą często do unoszenia ciężkich przedmiotów. Dzięki użyciu tej maszyny prostej można to zrobić za pomocą wyraźnie mniejszej siły, niż wynosi jego ciężar przedmiotu. Dźwignia może służyć także podważania, rozdzielania mocno złączonych elementów (np. wyciągania gwoździ - na zasadzie dźwigni  działa tzw. "łapa" do wyciągania gwoździ).
W zależności od miejsca w którym znajduje się punkt przyłożenia siły względem osi obrotu, dźwignia może być
- Dwustronna
- Jednostronna

Teoretycznie dźwignia mogłaby dać nam do dyspozycji dowolnie wielką siłę. Dlatego też Archimedes wypowiedział swoje słynne zdanie: „dajcie mi punkt podparcia a poruszę Ziemię”. W rzeczywistości wątpliwe jest, aby nawet przy posiadaniu punktu podparcia Archimedes wykonał swoje zobowiązanie. Przyczyną tego jest fakt, że przy przekroczeniu wartości naprawdę dużych sił, objawiłyby się inne ograniczenia – belki zaczęłyby się wyginać, łamać, zaś ciało zamiast przesuwać się, ulegałoby odkształceniom. Poza tym Archimedes mylił się jeszcze w jednym – nie wiedział, że Ziemi nie trzeba specjalnie „poruszać”, bo i tak pędzi ona przez kosmos, okrążając Słońce z wielką szybkością przekraczającą prawie 100 razy prędkość dźwięku w powietrzu (prędkość ruchu orbitalnego Ziemi to ok. 30 km/s).

Dźwignia dwustronna

Dźwignia dwustronna jest najczęściej kawałkiem belki lub drążka. Jednak to nie koniec "akcesoriów" niezbędnych do uruchomienia tej maszyny prostej. Powinniśmy mieć jeszcze dodatkowy, wystający ponad podłoże, punkt podparcia (umieszczony pomiędzy końcami belki) i oczywiście ciężar do podnoszenia (lub siła do pokonania). Punkt podparcia jest jednocześnie punktem wokół którego obraca się dźwignia (osią obrotu).

Oto jeszcze raz przykład z linijką. Jak widać, punkt podparcia jest tu zrobiony za pomocą ołówka. W opisanym przypadku właściwie mamy dość symetryczny układ działających sił - z jednej i drugiej strony są obciążniki (bateryjki). Najczęściej jednak dźwigni używa się w przypadku, gdy jedną z sił (najczęściej dużą siłę) chcemy "pokonać" za pomocą inne - mniejszej. Dlatego mówimy wtedy o dwóch odrębnych siłach:
- sile użytecznej (czyli tej która ostatecznie jest nam do czegoś potrzebna) - zazwyczaj jest to większa z sił.
- sile działania - jest siła, którą musimy podziałać, by za pomocą dźwigni "zamienić ją" na siłę użyteczną. 

Dźwignia dwustronna ma oś obrotu położoną pomiędzy siłą działania, a siłą użyteczną. Taki układ powoduje, że obie wymienione siły mają przeciwne zwroty. Na rysunku pokazany jest przykład gdy działając w dół siłą mniejszą od ciężaru obciążnika, można ten ciężar zrównoważyć i w efekcie podnieść ciało do góry.

Ramiona i przekładnia dźwigni dwustronnej
Dźwignia dwustronna (podobnie z resztą jak i jednostronna) posiada dwa ramiona . Nazywają się one:
- ramię siły użytecznej 
- ramię siły działania.

Głównymi zaletami ze stosowania dźwigni dwustronnej przy podnoszeniu ciężarów (w porównaniu do dźwigni jednostronnej) jest  
- fakt, że siłą działa się z góry, a przecież w wielu sytuacjach łatwiej jest się oprzeć na drążku niż go podnosić. 
- ciężar drążka stanowi tu mniejsze dodatkowe obciążenie, ponieważ ciężar obu ramion nawzajem się równoważy

Dźwignia jednostronna

Dźwignię jednostronną też większość osób stosuje do podważania, podnoszenia ciężkich przedmiotów za pomocą drążka, lub belki. Ten rodzaj dźwigni ma oś obrotu przy samym końcu belki, a punkt przyłożenia siły działania jest po tej samej stronie osi co punkt przyłożenia siły użytecznej.

Klin (równia)

Zadania z ruchem ciał na równi pochyłej są zmorą licealistów. Są tak chętnie stosowane przez nauczycieli, ponieważ w stosunkowo prosty sposób (oczywiście patrząc z perspektywy fizyka) ilustrują one wiele typowych „chwytów” stosowanych w nauce mechaniki. Tutaj nie będziemy się wgłębiać w teorię, lecz po prostu wyjaśnimy czym jest równia – jest nią najczęściej deska nachylona pod pewnym kątem do poziomu.

Korzyścią ze stosowania równi jest możliwość wniesienia dużego ciężaru na określoną wysokość, przy użyciu siły mniejszej (niekiedy znacznie) od tego ciężaru. Dzięki ułożeniu deski pod kątem siła użyta podczas podnoszenia ciała „rozkłada się” wzdłuż całej drogi. Inaczej mówiąc, chociaż droga wciągania jest znaczenie większa niż w przypadku bezpośredniego podnoszenia do góry, to jednak siła jest odpowiednio mniejsza. Przykładem zastosowania zasady równi są serpentyny umożliwiające samochodom wjazd na wysokie góry. Gdyby próbować wjechać na bardzo stromy stok bezpośrednio najkrótszą drogą do szczytu, to dla większości pojazdów byłoby to niemożliwe. Dopiero zmniejszenie siły wciągającej samochód, dzięki „rozłożeniu” jej po dłuższej drodze czyni wierzchołek góry osiągalnym.

Zdjęcia w załączniku