EINFACHE MASCHINEN: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, TYPEN, BEISPIELE - TECHNOLOGIE - 2025

Die einfachen Maschinen sind mechanische Geräte, die die Größe oder Richtung einer Kraft ändern. Sie können im Allgemeinen als die Geräte mit den meisten Knochen definiert werden, die einen mechanischen Vorteil, auch Hebelkraft genannt, nutzen, um eine Kraft zu erhöhen.

Im Laufe der Geschichte haben Menschen verschiedene Geräte entwickelt, um die Arbeit zu erleichtern. Die wichtigsten sind die sechs Arten einfacher Maschinen: der Hebel, das Rad und die Welle, die Riemenscheibe, die schiefe Ebene, der Keil und die Schraube.

Quelle: John Mills

Wenn Sie das Wort Maschine hören, denken Sie an etwas wie einen Bagger oder eine Dampfmaschine. In der Wissenschaft ist eine Maschine jedoch alles, was eine Kraft größer macht.

Eine Maschine kann die erzeugte Kraft auf Kosten einer proportionalen Verringerung der Strecke, über die sich die Last bewegt, erhöhen. Der mechanische Vorteil wird als Beziehung zwischen der erzeugten Kraft und der ausgeübten Kraft bezeichnet.

Eine einfache Maschine verwendet eine einzelne aufgebrachte Kraft, die gegen eine einzelne Belastungskraft wirkt. Ohne Berücksichtigung der Reibungsverluste entspricht die an der Last geleistete Arbeit der durch die aufgebrachte Kraft geleisteten Arbeit.

Elementarblöcke

Überall sind einfache Maschinen, die jeden Tag zur Ausführung einfacher Aufgaben eingesetzt werden. Sie wurden auch seit den frühesten Tagen der menschlichen Existenz verwendet.

Einfache Maschinen können als Elementarblöcke betrachtet werden, aus denen alle komplexeren Maschinen zusammengesetzt sind, sogenannte zusammengesetzte Maschinen.

Im Mechanismus eines Fahrrads werden beispielsweise Riemenscheiben, Hebel und Räder verwendet. Der mechanische Vorteil einer Verbundmaschine ist nichts anderes als das Ergebnis der mechanischen Vorteile der einfachen Maschinen, aus denen sie besteht.

Obwohl sie in der Mechanik und in der angewandten Wissenschaft weiterhin als sehr wichtig angesehen werden, hat die moderne Mechanik diese Vision einfacher Maschinen als Elementarblöcke, aus denen alle Maschinen bestehen, überschritten.

Geschichte

Erste Ideen

Um das 3. Jahrhundert vor Christus. C. entwickelte die Idee einer einfachen Maschine mit dem griechischen Philosophen Archimedes, der die folgenden einfachen Maschinen studierte: Hebel, Riemenscheibe und Schraube.

Er entdeckte im Hebel das Prinzip des mechanischen Vorteils. Sein berühmter Kommentar zum Hebel: "Gib mir einen Platz zum Lehnen und ich werde die Erde bewegen" drückt sein Verständnis aus, dass es keine Grenze für die Kraftsteigerung gab, die mit dem Einsatz mechanischer Vorteile erreicht werden konnte.

Später definierten griechische Philosophen fünf klassische einfache Maschinen und konnten ihren mechanischen Vorteil berechnen.

Zum Beispiel listet Heron of Alexandria (10-75 n. Chr.) In seiner Arbeit Mechanics fünf Geräte auf, die eine Last in Bewegung setzen können: Riemenscheibe, Rad und Welle, Hebel, Schraube und Keil, wobei ihre Herstellung und Verwendung detailliert beschrieben werden.

Das Wissen der Griechen beschränkte sich jedoch auf die Statik einfacher Maschinen (das Kräfteverhältnis), ohne Berücksichtigung der Dynamik, des Arbeitskonzepts oder des Kompromisses zwischen Kraft und Distanz.

Renaissance

Die Dynamik mechanischer Kräfte, wie einfache Maschinen genannt wurden, wurde in der Renaissance unter dem Gesichtspunkt untersucht, wie weit eine Last angehoben werden konnte, zusätzlich zu der Kraft, die angewendet werden konnte, was schließlich zu dem neuen Konzept führte mechanische Arbeit.

Der mechanische Vorteil der schiefen Ebene wurde 1586 vom flämischen Ingenieur Simon Stevin abgeleitet. Sie wurde neben den anderen einfachen Maschinen aufgenommen.

Der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei erarbeitete 1600 in seiner Arbeit Le Meccaniche die vollständige dynamische Theorie einfacher Maschinen, in der er die zugrunde liegende mathematische Ähnlichkeit als Kraftverstärker dieser Maschinen offenbarte. Er erklärte als erster, dass einfache Maschinen keine Energie erzeugen, sondern nur umwandeln.

Leonardo da Vinci entdeckte die klassischen Regeln der Gleitreibung in Maschinen, die jedoch in seiner Grundierung nicht veröffentlicht oder dokumentiert wurden. 1699 entdeckte Guillaume Amontons diese Regeln wieder und 1785 wurden sie von Charles-Augustin de Coulomb entwickelt.

Eigenschaften

Einfache Maschinen sind Geräte ohne oder mit sehr wenigen beweglichen Teilen, die die Arbeit erleichtern. Die Hauptfunktion einer einfachen Maschine ist die Verstärkung der Kraft oder die Änderung der Bewegung.

Bewegung und Kraft

Bewegung und Kraft in einer einfachen Maschine sind untrennbar miteinander verbunden. Sie stehen immer in umgekehrter Beziehung.

Die von einem Hebel erzeugte Kraft ist größer als die auf ihn ausgeübte Kraft, aber die erzeugte Bewegung ist geringer als die ausgeübte Bewegung. Das heißt, ein Kraftzuwachs geht mit einem Bewegungsverlust einher.

Job

In der Mechanik ist Arbeit etwas, was Kräfte tun, wenn sie sich in die Richtung bewegen, in die sie wirken. Das heißt, wenn eine Kraft angewendet wird, um eine Strecke zurückzulegen, wird Arbeit erzeugt. Dies wird mathematisch ausgedrückt als: Arbeit = Kraft × Abstand.

Um beispielsweise ein Objekt anzuheben, müssen Arbeiten ausgeführt werden, die die Schwerkraft überschreiten und somit das Objekt nach oben bewegen können.

Um ein doppelt so schweres Objekt anzuheben, ist doppelt so viel Arbeit erforderlich, um es um dieselbe Strecke anzuheben. Es würde auch doppelt so viel Arbeit erfordern, dasselbe Objekt doppelt so weit anzuheben.

Dieses Arbeitskonzept ist von grundlegender Bedeutung, um die mechanische Funktion in einfachen Maschinen in Bezug auf Kraft und Bewegung zu definieren und die Untrennbarkeit von Kraft und Bewegung hervorzuheben.

Mechanischer Vorteil

Es ist die Beziehung zwischen der Kraft, die Arbeit leistet, in Bezug auf die ausgeübte Kraft. Daher ist es die Kraftverstärkungseffektivität einer einfachen Maschine.

Der mechanische Vorteil einfacher Maschinen bedeutet, dass weniger Kraft zum Bewegen eines Objekts verwendet werden kann, es jedoch über eine längere Strecke bewegt werden muss.

Oft wird eine Aufgabe als schwierig empfunden, weil sie viel Kraft erfordert. Durch die Verwendung des Kompromisses zwischen Abstand und Kraft kann die Aufgabe viel einfacher erledigt werden.

Ein Beispiel ist das Schieben eines schweren Objekts über eine Rampe. Es ist einfacher, das Objekt die Rampe hinunterzuschieben, als es auf die richtige Höhe anzuheben, aber es muss über eine längere Strecke getragen werden.

Wofür sind einfache Maschinen?

Einfache Maschinen erleichtern die Arbeit, indem sie eine oder mehrere der folgenden Funktionen ausführen:

- Übertragen Sie eine Kraft von einem Ort zum anderen.

- Ändern Sie die Richtung einer Kraft.

- Erhöhen Sie die Stärke einer Kraft.

- Erhöhen Sie den Abstand einer Kraft.

Obwohl einfache Maschinen viele verschiedene Formen annehmen, gibt es sechs Grundtypen:

- Keil: Gerät zum Trennen von Dingen.

- Rad und Achse: Zur Reibungsreduzierung und als Kraftmultiplikator.

- Hebel: Bewegt sich um einen Drehpunkt, um den mechanischen Vorteil zu erhöhen oder zu verringern.

- Geneigte Ebene: Heben Sie Objekte an, wenn Sie einen Hang hinaufsteigen.

- Schraube: Ein Gerät, das Gegenstände anheben oder zusammenhalten kann.

- Riemenscheibe: Ändert die Richtung einer Kraft.

Erhöhen Sie die aufgebrachte Kraft

Einfache Maschinen helfen Menschen, die auf ein Objekt ausgeübte Kraft zu erhöhen. Sie bieten einen mechanischen Vorteil beim Bewegen von Objekten.

Wie aus der Arbeitsformel hervorgeht, besteht der Hauptvorteil einfacher Maschinen darin, dass dieselbe Arbeitsmenge durch Aufbringen einer geringeren Kraft über eine größere Entfernung ausgeführt werden kann.

Sie möchten beispielsweise ein 10 Kilogramm schweres Objekt 2 Meter über dem Boden anheben. Über eine Entfernung von 2 Metern können 10 kg Kraft nach oben auf das Objekt ausgeübt werden, wodurch 20 Newton Arbeit geleistet werden.

Wenn ein 3-Meter-Hebel verwendet würde, der das Objekt an einem Ende platziert und einen 10-cm-Drehpunkt in einem Abstand von 1 Meter vom Objekt unter die Stange legt, müssten Sie zum Anheben des Objekts das andere Ende mit nach unten drücken eine Kraft von nur 5 Kilogramm.

Das Ende des Hebels müsste jedoch 4 Meter nach unten gedrückt werden, um das Objekt nur 2 Meter anzuheben.

Es gibt einen Kompromiss. Durch Absenken des Hebels wird der vorherige Abstand verdoppelt, aber die erforderliche Kraft um die Hälfte reduziert, wobei der gleiche Arbeitsaufwand ausgeführt wird.

Typen

Hebel

Es ist eine Art starre Stange, die einen festen Drehpunkt als Stützpunkt hat. Es besteht aus einer Last, bei der es sich um das zu bewegende oder anzuhebende Objekt handelt, einem Drehpunkt, bei dem es sich um den Drehpunkt handelt, und einer Kraft, bei der es sich um die Kraft handelt, die zum Bewegen oder Anheben der Last erforderlich ist.

Durch Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des Hebels wird am anderen Ende eine größere Kraft erzeugt. Die aufgebrachte Kraft nimmt in Abhängigkeit vom Abstand vom Drehpunkt zur Last und Spannung zu oder ab.

Rad und Achse

Es besteht aus einem Rad, das an einer kleineren Achse befestigt ist, so dass sich diese beiden Teile zusammen drehen, wobei eine Kraft von einem auf das andere übertragen wird. Ein Scharnier stützt die Welle und ermöglicht eine Drehung.

Es erleichtert das Bewegen von Objekten über Entfernungen. Das Rad, das das runde Ende ist, dreht sich mit der Zylinderachse und verursacht die Bewegung.

Es kann auch die Kraft verstärken. Eine kleine Kraft, die auf den Umfang eines großen Rades ausgeübt wird, kann eine größere Last bewegen, die an einer Achse befestigt ist.

Rolle

Es soll die Bewegung und Richtungsänderung eines gespannten Seils unterstützen. Das Seil wickelt sich um ein Rad. Wenn sich das Rad dreht, bewegt sich das Seil in jede Richtung.

Wenn ein Haken mit dem Seil verbunden ist, kann die Drehung des Rades zum Anheben und Absenken von Objekten verwendet werden, um die Arbeit zu erleichtern.

Schiefe Ebene

Es ist eine flache Oberfläche, deren eines Ende höher als das andere ist und die als Stütze zum Anheben oder Absenken einer Last dient. Sie werden häufig verwendet, um schwere Lasten über vertikale Hindernisse zu bewegen.

Das Bewegen eines Objekts in einer geneigten Ebene erfordert weniger Kraft als das direkte Anheben auf Kosten einer größeren zurückgelegten Strecke.

Der mechanische Vorteil einer schiefen Ebene ist gleich dem Verhältnis der Länge der geneigten Fläche zur Höhe, die sie abdeckt.

Wiege

Es ist ein dreieckiges Werkzeug. Es kann verwendet werden, um zwei Objekte zu trennen, Teile eines Objekts zu entfernen, es anzuheben oder ein Objekt an Ort und Stelle zu halten.

Es wandelt eine auf sein stumpfes Ende ausgeübte Kraft in Kräfte senkrecht zu seiner geneigten Oberfläche um.

Der mechanische Vorteil ergibt sich aus der Beziehung zwischen der Länge der Steigung und der Breite.

Schraube

Es ist ein Mechanismus, der die Drehbewegung in eine lineare Bewegung und die Drehkraft (Drehmoment) in eine lineare Kraft umwandelt. Eine Schraube ist wirklich eine andere Art von schiefen Ebenen.

Seine häufigste Form besteht aus einer zylindrischen Welle mit spiralförmigen Rillen, die außen als Gewinde bezeichnet werden.

Die Schraube geht durch ein Loch in einem anderen Objekt oder Medium mit Innengewinden, die mit den Schraubengewinden in Eingriff stehen.

Beispiele

Hebel

Einige Beispiele für Hebel sind Türgriffe, Krallen an einem Nagelentfernungshammer, Eisenhebel, Lichtschalter, Flaschenöffner und Scharniere.

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Räder und Achsen

Sie befinden sich dort, wo sich Dinge im Kreis bewegen, wie ein elektrischer Ventilator, ein Motor, eine Drehtür, ein Karussell und jedes Rad, egal ob im Auto, auf einem Skateboard oder auf einem Fahrrad.

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Riemenscheiben

Sie werden in Vorhängen und Jalousien verwendet, um sie auf und ab oder hin und her zu bewegen.

Sie können etwas aus dem Boden bringen, wie eine Flagge an einer Stange. Das Seil wird heruntergezogen, aber die Flagge geht hoch.

Sie werden auch in der Industrie zum Heben und Senken schwerer Lasten, auf Schiffen zum Heben und Senken von Segeln oder in Kränen zum Bewegen von Baumaschinen eingesetzt.

Aufzüge verwenden auch Riemenscheiben, um das Auto von Boden zu Boden nach unten und oben zu bewegen.

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Geneigte Flugzeuge

Sie werden in Rollerparks, Rollstuhlrampen und zum Ein- und Ausfahren von schwerem Gerät auf der Ladefläche von Lastwagen eingesetzt.

Modifizierte Versionen einer Rampe befinden sich auf Treppen, Rolltreppen, Gehwegen und sogar auf Rutschen, mit denen Post in den Briefkasten geworfen wird, bis hin zu einem Zug, der einen Hang hinauffährt.

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Wiege

Einige Beispiele für Keile, die zum Trennen verwendet werden, können eine Schaufel, ein Messer, eine Axt, eine Spitzhacke, eine Säge, eine Schere oder ein Eispickel sein.

Keile können auch Dinge zusammenhalten, wie im Fall von Heftklammern, Stiften, Reißnägeln, Nägeln oder Türstoppern.

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Schraube

Einige Beispiele sind ein Bohrer, ein Glasdeckel, eine Glühbirne, ein Bolzen, Flaschenverschlüsse, Wasserhähne und Stifte.

Eine andere Verwendung der Schraube findet sich in einem Gerät, das als Schraubenpumpe bezeichnet wird. Es ist eine riesige schraubenförmige Hydraulikmaschine, die ins Wasser geht. Beim Drehen steigt das Wasser dank seiner Schraubenform die verdrehte Welle hinauf und steigt dort an, wo es benötigt wird. Schraubenpumpen werden häufig zur Bewässerung und in landwirtschaftlichen Umgebungen wie landwirtschaftlichen Betrieben eingesetzt.

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Verweise

1. Wikipedia, die freie Enzyklopädie (2019). Einfache Maschine. Entnommen aus: en.wikipedia.org.
2. Öffentliches Fernsehen von Idaho (2019). Einfache Maschinen: Fakten. Entnommen aus: idahoptv.org.
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