역사적으로 인간은 작업을보다 쉽게하기 위해 여러 장치를 개발했습니다. 이 중 가장 눈에 띄는 것은 "6 개의 간단한 기계"로 알려져 있습니다 : 바퀴와 차축, 레버, 경 사진 평면, 풀리, 나사 및 쐐기. 후자의 3 개는 실제로 첫 번째의 확장 또는 조합 일뿐입니다. 세.
제퍼슨 연구소에 따르면, 작업은 운동 방향으로 물체에 작용하는 힘으로 정의되므로 기계는 다음 기능 중 하나 이상을 수행하여 작업을보다 쉽게 수행 할 수 있습니다.
- 한 곳에서 다른 곳으로 힘을 옮기고
- 힘의 방향을 바꾸고
- 힘의 크기를 늘리거나
- 힘의 거리 또는 속도 증가.
간단한 기계는 작업을 쉽게하는 움직이는 부품이 없거나 거의없는 장치입니다. 볼더의 콜로라도 대학에 따르면 오늘날의 복잡한 도구 중 다수는 단순한 6 대 기계의 조합이거나 복잡한 형태 일뿐입니다. 예를 들어, 긴 손잡이를 샤프트에 부착하여 자아 틀을 만들거나 블록과 태클을 사용하여 하중을 경사로 위로 올릴 수 있습니다. 이 기계들은 단순 해 보일 수 있지만, 우리 없이는 결코 할 수없는 많은 일을 할 수있는 수단을 계속 제공합니다.
윤축
휠은 세계 역사상 가장 중요한 발명품 중 하나로 간주됩니다. 라이브 과학 기사 "세계를 변화시킨 10 대 발명품"에 Natalie Wolchover는 "기원전 3500 년에 바퀴가 발명되기 전에는 우리가 육상으로 운반 할 수있는 물건의 양과 거리가 심각하게 제한되어있었습니다." "바퀴 카트는 시장을 오가는 상품 운송을 가능하게하고 원거리로 여행하는 사람들의 부담을 덜어줌으로써 농업과 상업을 촉진했습니다."
휠은 물체가 표면 위로 움직일 때 발생하는 마찰을 크게 줄입니다. 테네시 대학 (University of Tennessee)에 따르면, 파일 캐비닛을 바퀴가 달린 작은 카트에 놓으면 캐비닛을 일정한 속도로 움직이기 위해 적용하는 힘을 크게 줄일 수 있습니다.
Charlie Samuels는 자신의 저서 "Ancient Science : Prehistory-AD 500"(Gareth Stevens, 2010)에서 "일부 지역에서는 통나무 롤러를 사용하여 바위 나 보트와 같은 무거운 물체를 움직였습니다. 물체가 앞으로 움직일 때 롤러는 "뒤에서 가져 와서 전면을 교체했습니다." 이것이 휠 개발의 첫 단계였습니다.
그러나 큰 혁신은 차축에 바퀴를 장착하는 것이 었습니다. 휠은 베어링에 의해지지 된 축에 부착되거나 축을 중심으로 자유롭게 회전 할 수 있습니다. 이로 인해 카트, 마차 및 전차가 개발되었습니다. 사무엘에 따르면, 고고학자들은 차축에서 회전하는 바퀴의 개발을 비교적 진보 된 문명의 지표로 사용합니다. 차축 휠의 초기 증거는 기원전 약 3200 년입니다. 수메르 인들이 중국인은 기원전 2800 년에 바퀴를 독자적으로 발명했습니다.
힘 승수
Wiley의 Science Quest에 따르면 휠과 차축은 마찰을 줄이는 것 외에도 힘 배가 역할을 할 수 있습니다. 휠이 차축에 부착되어 있고 휠을 돌리는 힘이 사용되는 경우, 차축의 회전력 또는 토크는 휠의 림에 가해지는 힘보다 훨씬 큽니다. 대안 적으로, 긴 핸들이 차축에 부착되어 유사한 효과를 얻을 수 있습니다.
다른 5 대의 기계는 모두 인간이 물체에 가해지는 힘을 증가시키고 / 시키거나 방향을 바꾸도록 도와줍니다. Janet L. Kolodner와 그녀의 공동 저자 인 그들의 저서 "Moving Big Things"(2009 년쯤)에서 "기계는 물체를 움직이는 데 도움이되는 기계적인 장점을 제공합니다. 기계적인 장점은 힘과 거리의 균형입니다. " 입력에 가해지는 힘을 증가시키는 간단한 기계에 대한 다음의 논의에서, 마찰력은 무시할 것입니다. 대부분의 경우 마찰력은 관련된 입력 및 출력 력에 비해 매우 작기 때문입니다.
원거리에 힘이 가해지면 작업이 이루어집니다. 수학적으로 이것은 W = F × D로 표현됩니다. 예를 들어, 물체를 들어 올리려면 중력으로 인한 힘을 극복하고 물체를 위로 이동시키는 작업을 수행해야합니다. 두 배나 무거운 물체를 들어 올리려면 같은 거리를 들어 올리려면 두 배의 작업이 필요합니다. 또한 같은 물체를 두 배까지 들어 올리려면 두 배의 작업이 필요합니다. 수학에서 알 수 있듯이 기계의 주요 이점은 더 큰 거리에 더 적은 양의 힘을 가하여 동일한 양의 작업을 수행 할 수 있다는 것입니다.
지렛대
"나에게 지렛대와 자리를 주면 세상을 움직일 것이다." 이 자랑스러운 주장은 3 세기 그리스 철학자, 수학자 및 발명가 아르키메데스에 기인합니다. 약간 과장된 것일 수도 있지만, 레버리지의 힘을 표현하여 적어도 비 유적으로 세상을 움직입니다.
아르키메데스의 천재성은 같은 양이나 작업을 달성하기 위해 레버를 사용하여 힘과 거리를 절충 할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 레버리지의 법칙에 따르면 뉴욕 대학의 크리스로 레스 (Chris Rorres)가 쓴 가상의 책인 "21 세기의 Archimedes"에 따르면, "위도는 무게에 비례하여 거리가 평형 상태에있다"고 말합니다.
레버는 긴 빔과 받침점 또는 피벗으로 구성됩니다. 레버의 기계적 장점은 받침점 양쪽의 빔 길이 비율에 달려 있습니다.
예를 들어, 100 파운드를 들어올 리려고합니다. (45 킬로그램) 무게는 지상에서 2 피트 (61 센티미터) 떨어져 있습니다. 우리는 100 파운드를 발휘할 수 있습니다. 2 피트 거리에서 무게 방향으로 힘을 가해 200 파운드 (271 뉴턴 미터)의 작업을 수행했습니다. 그러나 무게가 9 미터 (30 피트) 인 레버와 무게가 3 미터 (10 피트) 인 빔 아래에 1 피트 (30.5cm) 받침을 사용하는 경우에는 다른 쪽 끝을 50 파운드로 아래로 밉니다. 무게를 들어 올리는 힘 (23 kg). 그러나 무게를 2 피트 올리려면 레버의 끝을 1.2 미터 (4 피트) 아래로 밀어야합니다. 레버를 움직여야하는 거리를 두 배로 늘린 트레이드 오프를 만들었지 만 같은 양의 작업을 수행하기 위해 필요한 힘을 절반으로 줄였습니다.
경사면
경사면은 경사로와 같이 비스듬히 올려 진 평평한 표면입니다. 오하이오 대학 (Russian College of Engineering and Technology) 오하이오 대학교 (Orus University of Engineering and Technology)의 기계 공학과 교수 인 밥 윌리엄스 (Bob Williams)에 따르면, 경사면은 너무 무거워 짐을 들어 올리는 방법이다. 각도 (경사면의 가파름)는 무게를 높이기 위해 얼마나 많은 노력이 필요한지 결정합니다. 경사로가 가파를수록 더 많은 노력이 필요합니다. 그것은 우리가 100 파운드를 들어 올리면 의미합니다. 4 피트 경사로를 2 피트 감아 무게를 2 피트로 늘리면 이동 거리를 두 배로 늘리면서 필요한 힘을 반으로 줄입니다. 2.4m (8 피트) 경사로를 사용하는 경우 필요한 힘을 25 파운드로 줄일 수있었습니다. (11.3 kg).
고패
우리가 같은 100 파운드를 들어 올리려면. 밧줄로 무게를 추면, 우리는 무게 이상의 빔에 풀리를 부착 할 수 있습니다. 이렇게하면 로프를 위로 올리지 않고 아래로 당길 수 있지만 여전히 100 파운드가 필요합니다. 힘. 그러나 두 개의 도르래 (하나는 오버 헤드 빔에 부착되고 다른 하나는 웨이트에 부착)를 사용하고 로프의 한쪽 끝을 빔에 부착하고 풀리를 통해 무게로 풀링 한 다음 빔에 도르래가 있으면 로프를 50 파운드로 당기면됩니다. 무게를 들어 올리려면 힘을 실어야합니다. 무게를 2 피트 올리려면 로프를 4 피트 끌어 야합니다. 다시, 우리는 힘을 줄이기 위해 거리를 늘 렸습니다.
더 먼 거리에서 더 적은 힘을 사용하려면 블록과 태클을 사용할 수 있습니다. 사우스 캐롤라이나 대학교 (University of South Carolina)의 강의 자료에 따르면, "블록과 태클은 물건을 들어 올리는 데 필요한 힘의 양을 줄이는 풀리의 조합입니다. 단점은 블록과 태클에 더 긴 길이의 로프가 필요하다는 것입니다. 같은 거리로 움직일 수 있습니다. "
풀리만큼 간단하지만 여전히 가장 진보 된 새로운 기계에서 사용됩니다. 예를 들어 가구 크기의 물체를 만들 수있는 3D 프린터 인 Hangprinter는 벽, 바닥 및 천장에 고정 된 전선 및 컴퓨터 제어 풀리 시스템을 사용합니다.
나사
조지아 주립대 학교 웹 사이트 HyperPhysics에 따르면 "나사는 본질적으로 샤프트를 감싸는 긴 경사면이므로 경사와 같은 방식으로 기계적 이점에 접근 할 수있다"고 말했다. 많은 장치가 나사를 사용하여 나사를 돌리는 데 사용되는 힘보다 훨씬 큰 힘을가합니다. 이 장치에는 자동차 바퀴의 벤치 바이스와 러그 너트가 포함됩니다. 나사 자체뿐만 아니라 나사를 돌리는 데 사용되는 긴 손잡이를 사용하여 기계적 이점을 얻을 수 있습니다.
쐐기
New Mexico Institute of Mining and Technology에 따르면 "쐐기는 짐을 들어 올리거나 내리거나 쪼개거나 분리하는 하중으로 구동되는 경사면을 움직입니다." 더 길고 얇은 웨지는 짧고 넓은 웨지보다 더 기계적 이점을 제공하지만 웨지는 다른 기능을 수행합니다. 웨지의 주요 기능은 입력 힘의 방향을 변경하는 것입니다. 예를 들어, 통나무를 쪼개고 싶다면 슬레지 해머를 사용하여 큰 힘으로 통나무 끝까지 쐐기를 내릴 수 있으며 쐐기는이 힘을 바깥쪽으로 향하게하여 나무가 갈라지게합니다. 또 다른 예는 도어 스톱 (doorstop)으로, 도어의 가장자리 아래로 밀기 위해 사용되는 힘이 아래쪽으로 전달되어 마찰력이 바닥을 가로 질러 미끄러지는 것을 방지합니다.
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