Використання простих механізмів: історія і сучасність
Люди давно зіткнулися з обмеженістю своїх фізичних можливостей, тому завжди прагнули компенсувати їх якимись технічними рішеннями.
Одним із перших таких рішень стало винаходження важеля. Зараз неможливо хоча б приблизно зрозуміти час та місце першого усвідомленого застосування людиною даного простого механізму. Швидше за все, першим важелем стала палиця, за допомогою якої люди висмикували із землі їстівне коріння або вивертали каміння. Важіль – це жорсткий стрижень, який може вільно повертатися щодо нерухомої точки, яка називається точкою опори. Прикладом важеля можуть бути лом, молоток з розщепом, тачка, мітла. Системою важелів є людське тіло, у якої точками опори служать суглоби.
Важіль дав людині можливість виконувати переміщення, не докладаючи іншої сили, крім сили м`язів і ваги свого тіла. Кількість роботи, котра витрачалася на виконання будь-якої дії при цьому не змінювалася: виграш у силі обертався програшем у швидкості – і навпаки.
У будь-якому важелі є точки прикладання сил, точка прикладання навантаження, точка опори. Відстань по перпендикуляру, опущеному з точки опори на лінію дії сили, називається плечем сили. Для того, щоб важіль знаходився в рівновазі, необхідна рівність відношення сил на відповідні їм плечі.
Залежно від розташування точки опори, точки прикладання навантаження та зусилля існують три види важелів. Виграш у силі важеля дорівнює відношенню відстані від точки застосування сили до відстані від точки прикладеного навантаження до точки опори.
У важелі першого роду, що називається «коромислом», опора розташовується між точками прикладання сил. Для його рівноваги необхідно, щоби сили були спрямовані в один бік. Виграш у силі для важеля першого роду більший за одиницю.
У важелі другого роду, званому «тачка», обидві сили прикладені з одного боку опори, але відстань від точки опори до точки прикладання сили більша, ніж відстань від точки опори до точки навантаження. Для рівноваги важеля другого роду необхідно, щоб сили були спрямовані у різні боки. Виграш у силі для важеля другого роду більший за одиницю.
У важелі третього роду, наприклад, в «пінцеті», точка прикладання сили знаходиться між точкою опори і точкою прикладання навантаження. Оскільки в ньому плече сили менше за плече навантаження, то в ньому більше одиниці виграш у швидкості.
Теорія рівноваги важеля під впливом сили тяжіння була розроблена Архімедом. Він приділяв важелям багато уваги.
Крім важеля людина з давніх-давен використовувала інші прості механізми: похилу площину, блок, коловорот, клин і гвинт.
Похила площина застосовується для переміщення вантажів на висоту без відриву від площини опори. Прикладами похилої площини можуть бути сходи, ескалатори та пандуси. Виграш у силі, який досягається застосуванням похилої площини, дорівнює відношенню пройденого шляху до висоти, на яку піднявся вантаж. Оскільки перша відстань завжди більша за другу, то похила площина дає виграш у силі.
Коловорот (або ворот, корба) – це два з`єднані один з одним колеса, які обертаються навколо загальної осі. Він застосовується, наприклад, для підняття відра з водою із колодязя. Коловорот є важелем першого роду, тому може давати виграш як у силі, так і у швидкості. Це залежить від радіусу коліс, до яких додається навантаження та зусилля.
Блок є колесом, по колу якого проходить жолоб, призначений для ланцюга або каната. Блок призначений для підйому вантажів. Одиночний блок може мати закріплену вісь (нерухомий блок) або бути рухомим.
Нерухомий блок є важелем першого роду з точкою опори на осі. Плече зусилля і плече навантаження рівні радіусу блоку, тому виграш у силі та швидкості дорівнює одиниці.
У рухомому блоці навантаження розташоване між точкою опори та зусиллям, тому це – важіль другого роду. Плече навантаження тут дорівнює радіусу блоку, плече зусилля дорівнює його діаметру. Для рухомого блоку виграш у силі дорівнює двом. Нерухомі та рухливі блоки можна поєднувати для збільшення виграшу в силі.
Система блоків і канатів, призначена для підвищення вантажопідйомності, називається поліспастом.
Клин, по суті, є здвоєною похилою площиною. Але якщо похила площина є нерухомою, а вантаж рухається нею, то клин, навпаки, входить у місце прикладання навантаження. Виграш у силі, який отримується за допомогою клина, дорівнює відношенню довжини до товщини ширшого кінця. Розклинювальна сила, що діє в напрямку, перпендикулярному до руху клина, може перевищувати поздовжню в 4-5 разів. Клин застосовується в інструментах, що виробляють відкол і ріжучу дії (сокира, ніж, швейна голка), або як регулюючий елемент. Клинові з`єднання використовуються для затискання деталей. Крім того, клин служить для передачі поступального руху під кутом.
Гвинт – це похила площина-різьба, багаторазово обгорнута навколо циліндра. Залежно від напрямку нахилу різьба може бути лівою та правою. Різьба на гвинті і деталі, що сполучається, наприклад, гайці, повинна збігатися. Прикладами простих механізмів, у яких застосовується гвинтове різьблення, є болт і гайка, лещата, домкрат. Різьба, як різновид похилої площини, дає виграш у силі. Виграш у силі дорівнює відношенню відстані, що проходить точка прикладання сили за один оборот, до відстані, що проходить навантаження по осі гвинта. Відстань між двома сусідніми витками називається кроком різьби.
Іноді простими механізмами називають лише важіль та похилу площину. Блок та ворот вважають різновидами важеля, а клин та гвинт – похилою площиною.
Більш складні механізми, створені людством у розвитку техніки, є варіації і поєднання перелічених вище простих механізмів.
