Nel corso della storia, gli esseri umani hanno sviluppato diversi dispositivi per facilitare il lavoro. Le più importanti 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 queste 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 semplifica il lavoro eseguendo una o più delle seguenti funzioni, secondo Jefferson Lab:
- trasferire una forza da un posto a un altro,
- cambiando la direzione di una forza,
- aumentare la grandezza di una forza, o
- aumentando la distanza o la velocità di una forza.
Le macchine semplici sono dispositivi privi di parti mobili, in numero molto limitato, che facilitano il lavoro. Molti degli strumenti complessi di oggi sono solo combinazioni o forme più complicate delle sei macchine semplici, secondo l'Università del Colorado a Boulder. Ad esempio, potremmo fissare una lunga impugnatura ad un albero per realizzare un verricello, oppure usare un blocco e un'attrezzatura 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 umani erano severamente limitati nella quantità di materiale che potevamo trasportare sulla terra e fino a che punto", ha scritto Natalie Wolchover nell'articolo di Live Science "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, nonché alleggerendo gli oneri delle persone che viaggiano a 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 usando i rulli di registro. Mentre 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, tuttavia, fu nel montare una ruota su un asse. La ruota può essere fissata a un asse supportato da un cuscinetto oppure può essere fatta ruotare 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 prove di ruote sugli assi risalgono al 3200 a.C. circa. dai Sumeri. I cinesi inventarono autonomamente la ruota nel 2800 a.C.
Moltiplicatori di forza
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 usata una forza per girare la ruota, la forza di rotazione o la coppia, sull'asse è molto maggiore della forza applicata al cerchione della ruota. In alternativa, è possibile fissare una maniglia lunga all'asse per ottenere un effetto simile.
Le altre cinque macchine aiutano tutti gli umani ad aumentare e / o reindirizzare la forza applicata a un oggetto. Nel loro libro "Moving Big Things" (È giunto il momento, 2009), Janet L. Kolodner e i suoi co-autori scrivono, "Le macchine offrono un vantaggio meccanico per assistere gli oggetti in movimento. Il vantaggio meccanico è il compromesso tra forza e distanza. " Nella discussione che segue delle semplici macchine 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 a distanza, produce lavoro. Matematicamente, questo è espresso come W = F × D. Ad esempio, per sollevare un oggetto, dobbiamo fare un lavoro per superare la forza dovuta alla gravità e muovere l'oggetto verso l'alto. Per sollevare un oggetto 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 due volte più lontano. 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 io muoverò il mondo." Questa affermazione orgogliosa è attribuita al filosofo, matematico e inventore greco Archimede del terzo secolo. Mentre può essere un po 'un'esagerazione, esprime il potere della leva finanziaria, che, almeno in senso figurato, muove il mondo.
Il genio di Archimede era rendersi conto che per ottenere la stessa quantità o lo stesso 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 "Archimede nel 21 ° secolo", un libro virtuale di Chris Rorres alla New York University.
La leva è composta da un raggio lungo e da un fulcro, o perno. Il vantaggio meccanico della leva dipende dal rapporto tra le lunghezze del raggio su entrambi i lati del fulcro.
Ad esempio, supponiamo di voler sollevare 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 271 Newton-metri. Tuttavia, se dovessimo usare una leva da 9 m (30 piedi) con un'estremità sotto il peso e un fulcro da 30,5 cm posto sotto la trave a 10 piedi (3 piedi) dal peso, avremmo solo spingere verso il basso sull'altra estremità con 50 libbre. (23 kg) di forza per sollevare il peso. Tuttavia, per sollevare il peso di 2 piedi, dovremmo spingere l'estremità della leva verso il basso di 1,2 m. Abbiamo fatto un compromesso in cui abbiamo raddoppiato la distanza che dovevamo spostare la leva, ma abbiamo ridotto della metà la forza necessaria per fare lo stesso lavoro.
Piano inclinato
Il piano inclinato è semplicemente una superficie piana sollevata ad angolo, come una rampa. Secondo Bob Williams, professore nel 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 sollevarlo. L'angolo (la pendenza del piano inclinato) determina la quantità di sforzo necessaria per aumentare il peso. Più ripida è la rampa, maggiore è lo sforzo richiesto. Ciò significa che se solleviamo i nostri 100 libbre. peso 2 piedi facendo rotolare su una rampa di 4 piedi, riduciamo la forza necessaria della metà raddoppiando la distanza che deve essere spostata. Se dovessimo usare una rampa di 8 piedi (2,4 m), potremmo ridurre la forza necessaria a soli 25 libbre. (11,3 kg).
Puleggia
Se vogliamo sollevare lo stesso 100 libbre. peso con una corda, potremmo collegare una puleggia a una trave sopra il peso. Questo ci permetterebbe di tirare verso il basso anziché verso l'alto sulla corda, ma richiede ancora 100 libbre. di forza. Tuttavia, se dovessimo usare due pulegge - una attaccata alla trave aerea e l'altra attaccata al peso - e dovessimo attaccare un'estremità della fune alla trave, passarla attraverso la puleggia sul peso e poi attraverso la puleggia sulla trave, dovremmo solo tirare la corda 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 maggiore distanza 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 blocco e un'attrezzatura sono una combinazione di pulegge che riduce la quantità di forza necessaria per sollevare qualcosa. Il compromesso è che per un blocco e un'attrezzatura è necessaria una lunghezza maggiore della corda per spostare qualcosa alla stessa distanza ".
Semplici quanto le pulegge, stanno ancora trovando impiego nelle nuove macchine più avanzate. Ad esempio, Hangprinter, una stampante 3D in grado di costruire oggetti di dimensioni mobili, utilizza un sistema di fili 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 su ruote di automobili. Ottengono un vantaggio meccanico non solo dalla vite stessa, ma anche, in molti casi, dall'effetto leva di una lunga impugnatura utilizzata per girare la vite.
Cuneo
Secondo l'Istituto di estrazione mineraria e tecnologia del New Mexico, "I cunei muovono piani inclinati che sono guidati da 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 ingresso. Ad esempio, se vogliamo dividere un tronco, possiamo spingere un cuneo verso il basso alla fine del tronco con grande forza usando una mazza, e il cuneo reindirizzerà questa forza verso l'esterno, causando la divisione del legno. Un altro esempio è un fermaporta, in cui la forza utilizzata per spingerlo sotto il bordo della porta viene trasferita verso il basso, provocando una forza di attrito che resiste allo scivolamento sul pavimento.
Trova alcune attività divertenti che coinvolgono macchine semplici al Museum of Science and Industry di Chicago.
