Простая машина | Определение, типы, примеры, список и факты

простые машины

Просмотреть все СМИ

Похожие темы:

винт
колесо и ось
рычаг
шкив
наклонная плоскость

См. весь соответствующий контент →

простая машина , любое из нескольких устройств с небольшим количеством движущихся частей или без них, которые используются для изменения движения и величины силы для выполнения работы. Это самые простые известные механизмы, которые могут использовать рычаг (или механическое преимущество) для увеличения силы. К простым машинам относятся наклонная плоскость, рычаг, клин, колесо и ось, шкив и винт.

Наклонная плоскость состоит из наклонной поверхности; он используется для подъема тяжелых тел. Самолет предлагает механическое преимущество в том, что сила, необходимая для перемещения объекта вверх по склону, меньше, чем поднимаемый вес (без учета трения). Чем круче уклон или наклон, тем ближе требуемая сила приближается к фактическому весу. Выражаясь математически, сила F , необходимая для перемещения бруска D вверх по наклонной плоскости без трения, равна его весу W В раз больше синуса угла наклонной плоскости с горизонтом (θ). Уравнение: F = Вт sin θ.

Принцип наклонной плоскости широко используется, например, в пандусах и обратных дорогах, где небольшая сила, действующая на расстоянии вдоль склона, может выполнять большую работу.

Рычаг представляет собой брусок или доску, опирающуюся на опору, называемую точкой опоры. Направленная вниз сила, действующая на один конец рычага, может быть передана и увеличена в направлении вверх на другом конце, позволяя небольшой силе поднять тяжелый вес.

Викторина «Британника»

Машиностроение и производство

Все ранние люди использовали рычаг в той или иной форме, например, для перемещения тяжелых камней или в качестве палки-копалки для обработки земли. Принцип рычага использовался в свапе, или шадуфе, длинном рычаге, поворачивающемся на одном конце, с платформой или емкостью для воды, свисающими с короткого плеча, и противовесами, прикрепленными к длинному плечу. Человек мог поднять вес, в несколько раз превышающий его собственный, потянув за длинную руку. Говорят, что это устройство использовалось в Египте и Индии для подъема воды и подъема солдат через зубчатые стены еще в 1500 году до нашей эры.

Клин — это предмет, сужающийся к тонкому краю. Толкание клина в одном направлении создает силу в боковом направлении. Обычно он делается из металла или дерева и используется для расщепления, подъема или затягивания, например, для закрепления головки молотка на рукоятке.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

Подписаться

В доисторические времена клин использовался для раскалывания бревен и камней; топор тоже клин, как зубья на пиле. С точки зрения его механической функции винт можно рассматривать как клин, обернутый вокруг цилиндра.

Колесо и ось состоят из круглой рамы (колеса), которая вращается на валу или стержне (ось). В своей самой ранней форме он, вероятно, использовался для подъема тяжестей или ведер с водой из колодцев.

Принцип действия лучше всего объяснить на примере устройства с большой и малой шестернями, прикрепленными к одному и тому же валу. Тенденция силы F , приложенной на радиусе R к большой шестерне, чтобы повернуть вал, достаточна для преодоления большей силы W на радиусе r на малой шестерне. Увеличение силы, или механическое преимущество, равно отношению двух сил ( W : F ), а также равно отношению радиусов двух шестерен ( R : r ).

Если большие и малые шестерни заменить барабанами большого и малого диаметра, обмотанными веревками, колесо и ось обретут способность поднимать вес. Поднимаемый груз прикрепляется к веревке на маленьком барабане, а оператор тянет веревку на большом барабане. В этом устройстве механическое преимущество равно радиусу большого барабана, деленному на радиус малого барабана. Увеличение механического преимущества может быть получено за счет использования небольшого барабана с двумя радиусами, r ₁ и r ₂ и шкив. Когда к большому барабану прикладывается сила, канат на маленьком барабане наматывается на D и сходит с d.

Мерой усиления силы, обеспечиваемой системой шкив-и-канат, является отношение скорости или отношение скорости, с которой сила приложена к канату ( V _F ), к скорости при котором поднимается вес ( В _Вт ). Это отношение равно удвоенному радиусу большого барабана, деленному на разность радиусов меньших барабанов D и d. Выражаясь математически, уравнение выглядит следующим образом: 1 2 — r ₁ ). Фактическое механическое преимущество W / F меньше, чем это отношение скоростей, в зависимости от трения. При таком расположении можно получить очень большое механическое преимущество, сделав два меньших барабана D и d почти одинакового радиуса.

Простые машины

Эта фокусная идея исследуется через:

• Противопоставление студенческих и научных взглядов
• Критические идеи обучения
• Преподавательская деятельность
• Дополнительные ресурсы

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Повседневный опыт студентов

Современный мир богат примерами сложных машин, работу которых редко понимают. Студенты (и многие взрослые) обычно используют слово «машина» для описания сложных механических устройств, приводимых в действие двигателем или электродвигателем и предназначенных для выполнения полезных задач по экономии труда.

Студенты часто считают, что все машины производят гораздо больше работы, чем затрачивают их люди-операторы. бензопилы, электроинструменты и гидравлические экскаваторы.

Повседневный опыт учащихся редко признает такие устройства, как рычаги, наклонные плоскости, клинья и шкивы, типами «простых механизмов». Хотя большинство студентов имеют общий опыт использования простых механизмов, таких как рычаги и шкивы, немногие понимают, почему их конструкция может дать преимущество или как их лучше всего использовать. Многие учащиеся также испытывают трудности с идентификацией или объяснением этих переживаний другим и редко идентифицируют части человеческого тела, такие как руки или ноги, как состоящие из рычагов.

Исследования: Hapkiewicz (1992), Bryan, Laroder, Tippins, Emaz & Fox (2008), Meyer (1995), Norbury (2006). Греческое слово «мачос» означает «целесообразное» или что-то, что «облегчает работу». У римлян есть похожее понимание слова «machina», что означает «трюк» или «устройство».

Основная цель, для которой разработано большинство простых машин, состоит в том, чтобы уменьшить усилие (силу), необходимое для выполнения простой задачи. Чтобы достичь этого, приложенная сила должна действовать на более длинном расстоянии или в течение более длительного периода времени, в результате чего тот же объем работы выполняется меньшей силой. Винты, рычаги и наклонные плоскости предназначены для увеличения расстояния, на котором действует уменьшенная сила, чтобы мы могли толкать или тянуть с меньшими усилиями. Эффект этой конструкции часто называют «механическим преимуществом».

Термин «простая машина» обычно используется учеными для обозначения одного из шести различных типов устройств, которые часто объединяются в более сложные машины.

Критические обучающие идеи

• Мы обычно используем слово «машина» для обозначения сложного механического устройства, приводимого в действие двигателем, что сильно отличается от нашего научного использования термина «простая машина».
• Простые машины полезны, потому что они сокращают усилия или расширяют возможности людей выполнять задачи, выходящие за рамки их обычных возможностей.
• Простые машины, которые широко используются, включают колесо и ось, шкив, наклонную плоскость, винт, клин и рычаг.
• Хотя простые машины могут увеличивать или уменьшать силы, которые могут быть к ним приложены, они не меняют общий объем работы, необходимой для выполнения общей задачи.

При рассмотрении этих критических идей обучения важно помочь учащимся определить распространенные примеры «простых машин» в их мире. Учащиеся не сразу находят примеры простых машин, которые они обычно используют, потому что многие из них настолько широко используются, что их легко и часто упускают из виду.

Например, в случае обычной дверной ручки расположение ручки по отношению к дверным петлям действует как рычаг, облегчающий ее открывание, а большая круглая ручка (или удлиненный рычаг) обеспечивает механическое преимущество для помочь с вращением ручки.

Исследуйте отношения между идеями в
Карты разработки концепций – законы движения и преобразования энергии 

Преподавательская деятельность

Учащиеся часто неосознанно имеют много общего с «простыми машинами». При преподавании этой темы постарайтесь помочь учащимся определить повседневные примеры использования ими «простых машин» и дать им представление о преимуществах того, почему конкретная «простая машина» могла быть использована для этой задачи, и о преимуществах, которые она может дать. пользователю. Сначала старайтесь не вводить примеры предметов повседневного обихода, в которых используются сложные конструкции, включающие комбинации более чем одного типа «простых машин», чтобы учащиеся могли четко видеть цель конструкции. Более поздние учащиеся могут анализировать более сложные примеры с целью определения комбинации элементов, которые они используют в своем дизайне.

Открытое обсуждение на основе общего опыта

Принесите некоторые инструменты, которые явно предназначены для увеличения усилия, которое можно приложить к ним (открывалка для бутылок, лом, плоскогубцы, автомобильный домкрат) и инициируйте обсуждение того, что каждый из них позволяет нам сделать проще. Направляйте это обсуждение так, чтобы учащиеся узнали, как каждый из них может увеличить приложенную к нему силу. Предложите учащимся приводить больше примеров из собственного опыта (использование отвертки, чтобы снять крышку с банки с краской, является хорошим примером опыта, с которым столкнулись многие учащиеся). Используйте это, чтобы познакомить с понятием того, как рычаги и другие простые механизмы используются в их жизни в целом.

Сосредоточьте внимание учащихся на упущенной из виду детали

Изучая конструкцию и использование ряда обычных рычагов, выявите идеи о том, что каждый из них использует «точку опоры», вокруг которой они вращаются, и что часть рычага, которую мы перемещаем ( часто при действии небольшой силы) перемещается на гораздо большее расстояние, чем участок, на который действует большая сила.

Другие простые машины можно представить одну за другой, приведя несколько примеров каждой и найдя общие черты. Рулевые колеса, рукоятки отверток и лебедки — все это примеры колеса и оси; топоры, дровоколы, гвозди и гвозди — все это примеры клиньев. В Интернете есть много сайтов, которые предоставляют несколько примеров различных простых машин. См. ссылки, приведенные в конце этой идеи фокуса.

Помогите учащимся самостоятельно разработать некоторые «научные» объяснения

Предложите учащимся попробовать вкрутить один и тот же шуруп в один и тот же кусок дерева с помощью отверток с рукоятками разного диаметра. Многие хозяйственные магазины продают недорогие наборы отверток с рукоятками разных размеров. Ювелирные отвертки скромных размеров являются хорошим примером уменьшения преимуществ, которые они обеспечивают из-за малого диаметра рукоятки. Попробуйте снять пластиковую ручку с отвертки и предложите учащимся испытать трудности при попытке повернуть винт одним стержнем. Этот опыт можно использовать, чтобы подчеркнуть взаимосвязь между диаметром «ручки» колеса и величиной силы, которую вы можете создать на «валу» оси.

Сбор данных для анализа

После составления списка предметов, использующих различные типы «простых механизмов», попросите разные группы учащихся собрать примеры каждого из них в общих контекстах, таких как садовые сараи, кухни, мастерские, хобби и спорт.

Предложите учащимся изучить конструкцию каждой из них, чтобы определить тип «простой машины», на которой они основаны, и то, как они обеспечивают механическое преимущество. Парусные лодки полны гениальных примеров шкивов; весла для гребных лодок представляют собой один из немногих примеров, когда точка опоры расположена таким образом, что уменьшает приложенную силу и увеличивает расстояние, на котором она действует. Обычно рычаги предназначены для увеличения приложенных к ним сил. Одна из целей — показать, насколько широко в нашей повседневной жизни используются простые машины.

Уточнение и закрепление идей для общения с другими

Предложите учащимся изучить примеры больших «простых машин», использовавшихся до широкого применения паровых двигателей или двигателей внутреннего сгорания.

В средние века общество очень зависело от того, что часто представляло собой очень большие «простые машины», увеличенные в размерах для создания больших сил. Водяные колеса и ветряные мельницы, средневековое оружие, такое как требушеты (которые бросали большие камни или дохлых коров через стены замка), мосты через ров, таран и башни замка — вот лишь некоторые примеры, которые были основаны на конструкции «простых машин».

Различные группы студентов могли проводить исследования, конструировать масштабные модели, изучать их конструкцию и сообщать о своих выводах классу на этих впечатляющих простых машинах.