歴史を通じて、人間は作業を容易にするためにいくつかの装置を開発してきました。これらのうち最も注目に値するものは「6つの単純な機械」として知られています。車輪と車軸、レバー、傾斜面、滑車、ねじ、およびくさびですが、後者の3つは実際には最初の拡張または組み合わせです三。
ジェファーソンラボによると、仕事はオブジェクトに運動方向に作用する力として定義されるため、機械は次の機能の1つ以上を実行することで仕事をより簡単にします。
- ある場所から別の場所に力を伝達し、
- 力の方向を変える
- 力の大きさを増加させる、または
- 力の距離または速度を増加させる。
単純な機械とは、可動部分がない、または非常に少ないデバイスであり、作業を容易にします。コロラド大学ボルダー校によると、今日の複雑なツールの多くは、6つの単純なマシンの単なる組み合わせまたはより複雑な形式です。たとえば、長いハンドルをシャフトに取り付けてウインドラスを作成したり、ブロックとタックルを使用して荷物をランプに引き上げたりします。これらのマシンはシンプルに見えるかもしれませんが、これらのマシンがなければ、私たちには不可能だった多くのことを実行する手段を提供してくれます。
ホイールとアクスル
ホイールは、世界の歴史の中で最も重要な発明の一つと考えられています。 「紀元前3500年にホイールが発明されるまで、人間は陸上で輸送できるものの量とその距離が厳しく制限されていました」と、ナタリーウォルホバーはライブサイエンスの記事「世界を変えたトップ10の発明」で書いています。 「車輪の付いたカートは、市場との間の商品の輸送を可能にし、遠くを移動する人々の負担を軽減することで、農業と商業を促進しました。」
ホイールは、オブジェクトがサーフェス上を移動するときに発生する摩擦を大幅に低減します。テネシー大学によると、「ファイルキャビネットを車輪付きの小さなカートに置くと、キャビネットを一定の速度で動かすのに必要な力を大幅に減らすことができます」。
チャーリーサミュエルズは、著書「古代科学：先史時代-AD 500」（Gareth Stevens、2010年）で次のように書いています。「世界の一部では、岩や船などの重い物体はログローラーを使用して移動しました。オブジェクトが前進するとローラー後ろから取られ、前に入れ替えられました。」これは、ホイール開発の最初のステップでした。
しかし、大きな革新は、車軸にホイールを取り付けることでした。ホイールは、ベアリングで支持された車軸に取り付けることも、車軸の周りを自由に回転させることもできます。これはカート、ワゴンおよび戦車の開発につながりました。サミュエルズによれば、考古学者は、車軸上で回転する車輪の発達を、比較的高度な文明の指標として使用しています。車軸の車輪の最も初期の証拠は、紀元前3200年頃です。シュメール人によって。中国人は独立して紀元前2800年に車輪を発明しました。
力の乗数
WileyのScience Questによると、摩擦を減らすことに加えて、ホイールと車軸は力の乗数としても機能します。ホイールが車軸に取り付けられていて、ホイールを回転させるために力が使用されている場合、車軸の回転力またはトルクは、ホイールのリムに加えられた力よりもはるかに大きくなります。または、長いハンドルを車軸に取り付けて、同様の効果を得ることができます。
他の5台の機械はすべて、人間が物体に加える力を増やしたり、方向を変えたりするのに役立ちます。ジャネットL.コロドナーと彼女の共著者は、彼らの著書 『Moving Big Things』（2009年頃）で次のように書いています。 」入力に加えられる力を増加させる単純な機械に関する以下の説明では、摩擦力を無視します。これは、これらのほとんどの場合、関係する入力力および出力力に比べて摩擦力が非常に小さいためです。
ある距離にわたって力が加えられると、力が生じます。数学的には、これはW = F×Dとして表されます。たとえば、オブジェクトを持ち上げるには、重力による力に打ち勝ち、オブジェクトを上に移動する必要があります。 2倍の重さのオブジェクトを持ち上げるには、同じ距離を持ち上げるのに2倍の作業が必要です。また、同じオブジェクトを2倍持ち上げるのに2倍の作業が必要です。数学で示されているように、機械の主な利点は、より大きな距離で少量の力を加えることにより、同じ量の作業を実行できることです。
レバー
「私にてこと立つ場所をください。そして私は世界を動かします。」この自慢の主張は、3世紀のギリシャの哲学者、数学者、発明家アルキメデスによるものです。少々大げさかもしれませんが、少なくとも比喩的に世界を動かすレバレッジの力を表しています。
アルキメデスの天才は、同じ量または仕事を達成するために、レバーを使用して力と距離の間でトレードオフを行うことができることを理解することでした。ニューヨーク大学のChris Rorresによるバーチャルブック「21世紀のアルキメデス」によると、彼のレバーの法則は、「マグニチュードは重みに相互に比例した距離で平衡状態にある」と述べています。
レバーは長いビームと支点、またはピボットで構成されています。レバーの機械的な利点は、支点の両側のビームの長さの比率に依存します。
たとえば、100ポンド持ち上げるとします。 （45キログラム）地面から2フィート（61センチメートル）の重量。 100ポンドを出すことができます。上向き方向に2フィートの距離でウェイトに力がかかり、200ポンドフィート（271ニュートンメートル）の作業が完了しました。ただし、片方の端がウェイトの下にあり、1フィート（30.5 cm）の支点がウェイトから10フィート（3 m）の位置にある30フィート（9 m）のレバーを使用する場合、 50ポンドでもう一方の端を押し下げます。 （23 kg）ウェイトを持ち上げる力。ただし、ウェイトを2フィート持ち上げるには、レバーの端を4フィート（1.2 m）押し下げる必要があります。レバーを動かす距離を2倍にするトレードオフを行いましたが、同じ量の作業を行うために必要な力を半分に減らしました。
傾斜面
傾斜面は、ランプのように、ある角度で隆起した平面です。オハイオ大学のラス工科大学の機械工学科のボブウィリアムズ教授によると、傾斜面は重くて真っ直ぐに持ち上げることができない荷物を持ち上げる方法です。角度（傾斜面の急勾配）は、重量を上げるために必要な労力を決定します。ランプが急になるほど、より多くの労力が必要になります。つまり、100ポンド持ち上げると2フィートの重量を4フィートのランプに巻き上げることで、必要な力を半分に減らし、移動距離を2倍にします。 8フィート（2.4 m）のスロープを使用する場合、必要な力を25ポンドに減らすことができます。 （11.3 kg）。
滑車
同じ100ポンドを持ち上げる場合は、ロープを使ってウェイトを付ける場合、ウェイトの上にあるプーリーにプーリーを取り付けることができます。これにより、ロープを引き上げるのではなく引き下げることができますが、それでも100ポンドが必要です。力の。ただし、オーバーヘッドビームに取り付けられたプーリーとウェイトに取り付けられたプーリーの2つのプーリーを使用する場合、ロープの一端をビームに取り付け、ウェイトのプーリーに通してから、ビームの滑車は、50ポンドのロープを引くだけで済みます。おもりを持ち上げる力の力ですが、おもりを2フィート持ち上げるにはロープを4フィート引っ張る必要があります。繰り返しになりますが、距離の増加と力の減少を交換しました。
さらに長い距離でさらに少ない力を使用したい場合は、ブロックとタックルを使用できます。サウスカロライナ大学のコース資料によると、「ブロックとタックルは滑車の組み合わせであり、何かを持ち上げるのに必要な力の量を減らします。トレードオフは、ブロックとタックルに長いロープが必要になることです。同じ距離を移動します。」
滑車と同じくらい簡単ですが、彼らはまだ最も先進的な新しいマシンでの使用を見つけています。たとえば、家具サイズのオブジェクトを作成できる3DプリンターであるHangprinterは、壁、床、天井に固定されたワイヤーとコンピューター制御の滑車のシステムを採用しています。
スクリュー
ジョージア州立大学のウェブサイトであるHyperPhysicsによると、「ねじは本質的にシャフトに巻き付けられた長い傾斜面なので、機械的な利点は傾斜と同じ方法でアプローチできます」と述べています。多くのデバイスはねじを使用して、ねじを回すのに使用される力よりもはるかに大きな力を発揮します。これらのデバイスには、自動車の車輪のベンチバイスとラグナットが含まれます。それらはねじ自体からだけでなく、多くの場合、ねじを回すために使用される長いハンドルのてこから機械的な利点を得ます。
くさび
ニューメキシコ鉱業技術研究所によると、「くさびは、持ち上げるための荷重の下で、または分割または分離するための荷重の中に駆動される傾斜平面を動かしています。」長くて薄いウェッジは、短くて広いウェッジよりも機械的な利点がありますが、ウェッジは別のことをします。ウェッジの主な機能は、入力力の方向を変えることです。たとえば、丸太を分割したい場合は、ハンマーを使って大きな力でくさびを丸太の端に押し込み、くさびがこの力を外側に向け直して、木材を分割させます。もう1つの例はドアストップです。ドアの端の下にそれを押すために使用される力が下に伝達され、床を横切るスライドに抵抗する摩擦力が発生します。
シカゴの科学産業博物館で、簡単な機械を使った楽しいアクティビティを見つけてください。
