MACCHINE SEMPLICI: STORIA, CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE, ESEMPI - TECNOLOGIA - 2024

Le macchine semplici sono dispositivi meccanici che cambiano la grandezza o la direzione di una forza. Possono generalmente essere definiti come gli apparati più scarni che utilizzano un vantaggio meccanico, chiamato anche leva, per aumentare una forza.

Nel corso della storia, gli esseri umani hanno sviluppato vari dispositivi per facilitare il lavoro. Le più importanti sono conosciute come i sei tipi di macchine semplici: la leva, la ruota e l'albero, la puleggia, il piano inclinato, il cuneo e la vite.

Fonte: John Mills

Quando senti la parola macchina, pensi a qualcosa come un escavatore o una macchina a vapore. Tuttavia, nella scienza una macchina è tutto ciò che rende una forza maggiore.

Una macchina può aumentare la quantità di forza prodotta, al costo di una riduzione proporzionale della distanza percorsa dal carico. Il vantaggio meccanico è chiamato rapporto tra la forza prodotta e la forza applicata.

Una macchina semplice utilizza una singola forza applicata che lavora contro una singola forza di carico. Ignorando le perdite per attrito, il lavoro svolto sul carico è uguale al lavoro svolto dalla forza applicata.

Blocchi elementali

Macchine semplici sono ovunque, utilizzate ogni giorno per svolgere compiti semplici. Sono stati utilizzati anche sin dai primi giorni dell'esistenza umana.

Le macchine semplici possono essere considerate come i blocchi elementari di cui sono composte tutte le macchine più complesse, chiamate macchine composte.

Nel meccanismo di una bicicletta, ad esempio, vengono utilizzate pulegge, leve e ruote. Il vantaggio meccanico di una macchina compound non è altro che il risultato dei vantaggi meccanici delle macchine semplici che la compongono.

Tuttavia, sebbene continuino ad essere considerate molto importanti nella meccanica e nella scienza applicata, la meccanica moderna ha trasceso quella visione delle macchine semplici come i blocchi elementari di cui sono composte tutte le macchine.

Storia

Idee iniziali

Intorno al III secolo a.C. C. ha originato l'idea di una macchina semplice, con il filosofo greco Archimede, che ha studiato le seguenti macchine semplici: leva, puleggia e vite.

Ha scoperto nella leva il principio del vantaggio meccanico. Il suo famoso commento sulla leva: "Dammi un posto dove appoggiarmi e sposterò la Terra" esprime la sua comprensione che non c'era limite alla quantità di aumento di forza che potrebbe essere ottenuto con l'uso del vantaggio meccanico.

Successivamente i filosofi greci definirono cinque macchine semplici classiche e furono in grado di calcolare il vantaggio meccanico che avevano.

Ad esempio, nella sua opera Mechanics, Heron of Alexandria (10-75 d.C.) elenca cinque dispositivi che possono mettere in movimento un carico: puleggia, ruota e albero, leva, vite e cuneo, specificandone la fabbricazione e l'uso.

Tuttavia, la conoscenza dei Greci era limitata alla statica delle macchine semplici (l'equilibrio delle forze), escludendo la dinamica, il concetto di lavoro o il compromesso tra forza e distanza.

Periodo rinascimentale

La dinamica delle forze meccaniche, come venivano chiamate le macchine semplici, iniziò a essere studiata durante il Rinascimento, dalla prospettiva di quanto un carico potesse essere sollevato, oltre alla forza che poteva essere applicata, che alla fine portò al nuovo concetto lavoro meccanico.

Il vantaggio meccanico del piano inclinato fu dedotto dall'ingegnere fiammingo Simon Stevin nel 1586. Fu incluso accanto alle altre macchine semplici.

Lo scienziato italiano Galileo Galilei elaborò nel 1600 la teoria dinamica completa delle macchine semplici, nel suo lavoro Le Meccaniche, dove rivelò la somiglianza matematica sottostante come amplificatori di forza di queste macchine. Fu il primo a spiegare che le macchine semplici non creavano energia, ma solo la trasformavano.

Leonardo da Vinci ha scoperto le regole classiche dell'attrito scorrevole nelle macchine, ma non sono state pubblicate o documentate nel suo manuale. Nel 1699 Guillaume Amontons riscoprì queste regole e nel 1785 furono sviluppate da Charles-Augustin de Coulomb.

caratteristiche

Le macchine semplici sono dispositivi senza o pochissime parti in movimento, che facilitano il lavoro. La funzione principale di una macchina semplice è l'amplificazione della forza o la modifica del movimento.

Movimento e forza

Movimento e forza in una macchina semplice sono inseparabili. Sono sempre in relazione inversa.

La forza prodotta da una leva è maggiore della forza applicata ad essa, ma il movimento prodotto è minore del movimento applicato. Cioè, un guadagno di forza è accompagnato da una perdita di movimento.

Lavoro

In meccanica, il lavoro è qualcosa che le forze fanno quando si muovono nella direzione in cui agiscono. Cioè, quando viene applicata una forza per percorrere una distanza, viene prodotto del lavoro. Questo è espresso matematicamente come: Lavoro = Forza × Distanza.

Ad esempio, per sollevare un oggetto, è necessario eseguire un lavoro che superi la forza di gravità e quindi essere in grado di spostare l'oggetto verso l'alto.

Per sollevare un oggetto due volte più pesante, occorre il doppio del lavoro per sollevarlo alla stessa distanza. Ci vorrebbe anche il doppio del lavoro per sollevare lo stesso oggetto il doppio.

Questo concetto di lavoro è fondamentale per definire la funzione meccanica in macchine semplici in termini di forza e movimento, evidenziando l'inseparabilità di forza e movimento.

Vantaggio meccanico

È il rapporto tra la forza che esegue il lavoro rispetto alla forza applicata. Pertanto, è l'efficacia dell'amplificazione della forza di una macchina semplice.

Il vantaggio meccanico delle macchine semplici significa che è possibile utilizzare meno forza per spostare un oggetto, ma deve essere spostato per una distanza maggiore.

Molte volte un compito è sentito come difficile perché richiede molta forza. Usare il compromesso tra distanza e forza può rendere il compito molto più facile da completare.

Un esempio è spingere un oggetto pesante giù da una rampa. È più facile spingere l'oggetto lungo la rampa che sollevarlo all'altezza corretta, ma deve essere trasportato per una distanza maggiore.

A cosa servono le macchine semplici?

Macchine semplici facilitano il lavoro eseguendo una o più delle seguenti funzioni:

- Trasferisci una forza da un luogo all'altro.

- Cambia la direzione di una forza.

- Aumenta la grandezza di una forza.

- Aumentare la distanza di una forza.

Sebbene le macchine semplici assumano molte forme diverse, sono disponibili in sei tipi di base:

- Cuneo: dispositivo per separare le cose.

- Ruota e asse: utilizzati per ridurre l'attrito e come moltiplicatore di forza.

- Leva: si muove attorno a un fulcro per aumentare o diminuire il vantaggio meccanico.

- Piano inclinato: sollevare oggetti quando si sale su un pendio.

- Vite: un dispositivo che può sollevare o tenere insieme oggetti.

- Puleggia: cambia la direzione di una forza.

Aumenta la forza applicata

Macchine semplici aiutano gli esseri umani ad aumentare la forza applicata a un oggetto. Forniscono un vantaggio meccanico per aiutare a spostare gli oggetti.

Come indica la formula di lavoro, il vantaggio principale delle macchine semplici è consentire di eseguire la stessa quantità di lavoro applicando una quantità minore di forza su una distanza maggiore.

Ad esempio, si desidera sollevare un oggetto del peso di 10 chilogrammi a 2 metri da terra. 10 kg di forza possono essere esercitati sull'oggetto verso l'alto, per una distanza di 2 metri, facendo così 20 Newton di lavoro.

Se si utilizza una leva di 3 metri, posizionando l'oggetto ad un'estremità e ponendo un fulcro di 10 cm sotto la barra a 1 metro di distanza dall'oggetto, quindi per sollevare l'oggetto bisognerà spingere verso il basso sull'altra estremità con una forza di soli 5 chilogrammi.

Tuttavia, l'estremità della leva dovrebbe essere abbassata di 4 metri per sollevare l'oggetto di soli 2 metri.

C'è un compromesso. Abbassando la leva si raddoppia la distanza precedente, ma si dimezza la forza richiesta, facendo la stessa quantità di lavoro.

tipi

Leva

È una sorta di barra rigida che ha un fulcro fisso come punto di appoggio. Consiste in un carico, che è l'oggetto da spostare o sollevare, un fulcro, che è il perno, e uno sforzo, che è la forza necessaria per spostare o sollevare il carico.

L'applicazione di una forza a un'estremità della leva crea una forza maggiore all'altra estremità. La forza applicata aumenterà o diminuirà a seconda della distanza dal fulcro al carico e allo stress.

Ruota e asse

Consiste in una ruota fissata a un asse più piccolo in modo che queste due parti ruotino insieme, dove una forza viene trasferita dall'una all'altra. Una cerniera sostiene l'albero, consentendo la rotazione.

Facilita il lavoro di spostamento di oggetti su distanze. La ruota, che è l'estremità tonda, ruota con l'asse cilindrico, provocando il movimento.

Può anche amplificare la forza. Una piccola forza applicata alla circonferenza di una grande ruota può spostare un carico maggiore attaccato a un asse.

Puleggia

È progettato per supportare il movimento e il cambio di direzione di una corda tesa. La corda si avvolge attorno a una ruota. Quando la ruota gira, la fune si muove in qualsiasi direzione.

Se un gancio è collegato alla fune, la rotazione della ruota può essere utilizzata per sollevare e abbassare oggetti, facilitando il lavoro.

Piano inclinato

È una superficie piana, con un'estremità più alta dell'altra, utilizzata come supporto per sollevare o abbassare un carico. Sono ampiamente utilizzati per spostare carichi pesanti su ostacoli verticali.

Spostare un oggetto su un piano inclinato richiede meno forza che sollevarlo direttamente, a costo di un aumento della distanza percorsa.

Il vantaggio meccanico di un piano inclinato è pari al rapporto tra la lunghezza del piano inclinato e l'altezza che copre.

Culla

È uno strumento di forma triangolare. Può essere utilizzato per separare due oggetti, rimuovere pezzi di un oggetto, sollevarlo o tenere un oggetto in posizione.

Funziona convertendo una forza applicata alla sua estremità smussata in forze perpendicolari alla sua superficie inclinata.

Il vantaggio meccanico è dato dal rapporto tra la lunghezza del pendio e la larghezza.

Vite

È un meccanismo che converte il movimento rotatorio in movimento lineare e la forza rotazionale (coppia) in una forza lineare. Una vite è davvero un altro tipo di piano inclinato.

Su forma más común consiste en un eje cilíndrico con surcos helicoidales llamados roscas a lo largo del exterior.

El tornillo pasa a través de un orificio en otro objeto o medio con roscas en su interior, que van engranando con las roscas del tornillo.

Ejemplos

Palancas

Algunos ejemplos de palancas son las manijas de las puertas, las garras de un martillo para quitar clavos, palancas de hierro, interruptores de luz, abrebotellas y bisagras.

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Ruedas y ejes

Se encuentran donde las cosas giran en círculo, como un ventilador eléctrico, un motor, una puerta giratoria, un carrusel y cualquier rueda, ya sea en el automóvil, en una patineta o en una bicicleta.

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Poleas

Se utilizan en cortinas y persianas para moverlas hacia arriba y hacia abajo, o hacia adelante y hacia atrás.

Pueden hacer subir algo desde el suelo, como una bandera en un poste. Se tira la cuerda hacia abajo, pero la bandera sube.

Son utilizadas también en la industria para elevar y bajar cargas pesadas, en los barcos para elevar y bajar las velas, o en grúas para ser usadas en equipos de construcción en movimiento.

Los ascensores usan también poleas para mover el carro hacia abajo y hacia arriba de piso a piso.

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Planos inclinados

Se usan en los parques de patinetes, rampas para sillas de ruedas y para que un equipo pesado entre y salga de la parte trasera de los camiones.

Versiones modificadas de una rampa se encuentra en escaleras, escaleras mecánicas, senderos para caminar, e incluso en los toboganes utilizados para dejar el correo en el buzón, hasta un tren que sube una pendiente.

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Cuña

Algunos ejemplos de cuñas utilizadas para separar pueden ser una pala, un cuchillo, un hacha, un zapapico, una sierra, unas tijeras o un picahielos.

Las cuñas también pueden mantener cosas juntas, como en el caso de una grapa, alfileres, tachuelas, clavos o topes de puerta.

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Tornillo

Algunos ejemplos están en un taladro, la tapa de una jarra, una bombilla, un perno, tapas de botellas, grifos y bolígrafos.

Otra utilización del tornillo es en un aparato llamado bomba de tornillo. Es una enorme máquina hidráulica con forma de tornillo que se introduce en el agua. Al girar, gracias a su forma de tornillo, el agua va subiendo por el eje retorcido, elevándose hasta donde se necesite. Con frecuencia, las bombas de tornillo se usan para riego y en ambientes agrícolas como granjas.

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Referencias

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