Vova Krasen
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Ao longo da história, os humanos desenvolveram vários dispositivos para facilitar o trabalho. As mais notáveis delas são conhecidas como as "seis máquinas simples": a roda e o eixo, a alavanca, o plano inclinado, a polia, o parafuso e a cunha, embora as três últimas sejam na verdade apenas extensões ou combinações das primeiras três.
Como o trabalho é definido como a força que atua sobre um objeto na direção do movimento, uma máquina torna o trabalho mais fácil de realizar, realizando uma ou mais das seguintes funções, de acordo com Jefferson Lab:
- transferindo uma força de um lugar para outro,
- mudando a direção de uma força,
- aumentando a magnitude de uma força, ou
- aumentando a distância ou velocidade de uma força.
Máquinas simples são dispositivos sem ou com muito poucas peças móveis que facilitam o trabalho. Muitas das ferramentas complexas de hoje são apenas combinações ou formas mais complicadas das seis máquinas simples, de acordo com a Universidade do Colorado em Boulder. Por exemplo, podemos prender uma longa alça a uma haste para fazer um guincho ou usar um bloco e talha para puxar uma carga por uma rampa. Embora essas máquinas possam parecer simples, elas continuam a nos fornecer os meios para fazer muitas coisas que nunca poderíamos fazer sem elas.
Roda e eixo
A roda é considerada uma das invenções mais significativas da história do mundo. "Antes da invenção da roda em 3500 a.C., os humanos eram severamente limitados na quantidade de coisas que podíamos transportar por terra e até onde", escreveu Natalie Wolchover no artigo "As 10 principais invenções que mudaram o mundo". "Os carrinhos com rodas facilitaram a agricultura e o comércio, permitindo o transporte de mercadorias de e para os mercados, além de aliviar o fardo das pessoas que viajam grandes distâncias."
A roda reduz muito o atrito encontrado quando um objeto é movido sobre uma superfície. "Se você colocar seu arquivo em um pequeno carrinho com rodas, pode reduzir muito a força necessária para mover o arquivo com velocidade constante", de acordo com a Universidade do Tennessee.
Em seu livro "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels escreve: "Em algumas partes do mundo, objetos pesados, como pedras e barcos, eram movidos usando rolos de toras. Conforme o objeto se movia, rolos foram retirados por trás e substituídos na frente. " Este foi o primeiro passo no desenvolvimento da roda.
A grande inovação, porém, foi montar uma roda em um eixo. A roda poderia ser fixada a um eixo suportado por um rolamento ou poderia ser feita para girar livremente em torno do eixo. Isso levou ao desenvolvimento de carroças, carroças e carruagens. De acordo com Samuels, os arqueólogos usam o desenvolvimento de uma roda que gira em um eixo como um indicador de uma civilização relativamente avançada. As primeiras evidências de rodas em eixos datam de cerca de 3200 a.C. pelos sumérios. Os chineses inventaram independentemente a roda em 2800 a.C. [Relacionado: Por que demorou tanto para inventar a roda]
Multiplicadores de força
Além de reduzir o atrito, uma roda e um eixo também podem servir como um multiplicador de força, de acordo com a Science Quest da Wiley. Se uma roda é fixada a um eixo e uma força é usada para girar a roda, a força rotacional, ou torque, no eixo é muito maior do que a força aplicada ao aro da roda. Alternativamente, uma alça longa pode ser fixada ao eixo para obter um efeito semelhante.
Todas as outras cinco máquinas ajudam os humanos a aumentar e / ou redirecionar a força aplicada a um objeto. Em seu livro "Moving Big Things" (It's about time, 2009), Janet L. Kolodner e seus co-autores escrevem, "As máquinas fornecem vantagem mecânica para auxiliar na movimentação de objetos. A vantagem mecânica é o trade-off entre força e distância. " Na discussão a seguir sobre as máquinas simples que aumentam a força aplicada à sua entrada, negligenciaremos a força de atrito, porque na maioria desses casos, a força de atrito é muito pequena em comparação com as forças de entrada e saída envolvidas.
Quando uma força é aplicada à distância, ela produz trabalho. Matematicamente, isso é expresso como W = F × D. Por exemplo, para erguer um objeto, devemos trabalhar para superar a força da gravidade e mover o objeto para cima. Para levantar um objeto que é duas vezes mais pesado, é preciso trabalhar o dobro para levantá-lo à mesma distância. Também é necessário o dobro de trabalho para levantar o mesmo objeto duas vezes mais longe. Conforme indicado pela matemática, o principal benefício das máquinas é que elas nos permitem fazer a mesma quantidade de trabalho, aplicando uma quantidade menor de força em uma distância maior.
Alavanca
"Dê-me uma alavanca e um lugar para ficar, e eu moverei o mundo." Essa afirmação orgulhosa é atribuída ao filósofo, matemático e inventor grego do século III, Arquimedes. Embora possa ser um pouco exagerado, ele expressa o poder de alavancagem, que, pelo menos figurativamente, move o mundo.
A genialidade de Arquimedes foi perceber que, para realizar a mesma quantidade ou trabalho, pode-se fazer um trade-off entre força e distância usando uma alavanca. Sua Lei da Alavanca afirma: "As magnitudes estão em equilíbrio a distâncias reciprocamente proporcionais aos seus pesos", de acordo com "Arquimedes no século 21", um livro virtual de Chris Rorres na Universidade de Nova York.
A alavanca consiste em uma trave longa e um fulcro ou pivô. A vantagem mecânica da alavanca depende da proporção dos comprimentos da viga em cada lado do fulcro.
Por exemplo, digamos que queremos levantar um peso de 100 libras. (45 quilogramas) peso a 2 pés (61 centímetros) do solo. Podemos exercer 100 libras. de força sobre o peso na direção para cima por uma distância de 2 pés, e fizemos 200 libras-pés (271 Newton-metros) de trabalho. No entanto, se fossemos usar uma alavanca de 30 pés (9 m) com uma extremidade sob o peso e um ponto de apoio de 1 pé (30,5 cm) colocado sob a viga a 10 pés (3 m) do peso, teríamos apenas para empurrar para baixo na outra extremidade com 50 libras. (23 kg) de força para levantar o peso. No entanto, teríamos que empurrar a extremidade da alavanca para baixo 4 pés (1,2 m) para levantar o peso 2 pés. Fizemos uma troca em que dobramos a distância que tínhamos para mover a alavanca, mas diminuímos a força necessária pela metade para fazer a mesma quantidade de trabalho.
Plano inclinado
O plano inclinado é simplesmente uma superfície plana elevada em ângulo, como uma rampa. De acordo com Bob Williams, professor do departamento de engenharia mecânica da Russ College of Engineering and Technology da Ohio University, um avião inclinado é uma forma de levantar uma carga que seria muito pesada para ser levantada diretamente. O ângulo (a inclinação do plano inclinado) determina quanto esforço é necessário para levantar o peso. Quanto mais íngreme a rampa, mais esforço é necessário. Isso significa que se levantarmos nossos 100 libras. peso 2 pés rolando-o para cima em uma rampa de 4 pés, reduzimos a força necessária pela metade enquanto dobramos a distância que deve ser movida. Se fôssemos usar uma rampa de 8 pés (2,4 m), poderíamos reduzir a força necessária para apenas 25 lbs. (11,3 kg).
Polia
Se quisermos levantar os mesmos 100 libras. peso com uma corda, poderíamos prender uma polia a uma viga acima do peso. Isso nos permitiria puxar para baixo em vez de subir na corda, mas ainda requer 100 libras. de força. No entanto, se fôssemos usar duas polias - uma presa à viga superior e a outra presa ao peso - e prendêssemos uma extremidade da corda à viga, passá-la pela polia do peso e depois por a polia na viga, só teríamos que puxar a corda com 50 libras. de força para levantar o peso, embora tenhamos que puxar a corda 4 pés para levantar o peso 2 pés. Mais uma vez, trocamos o aumento da distância pela diminuição da força.
Se quisermos usar ainda menos força em uma distância ainda maior, podemos usar um bloqueio e atacar. De acordo com os materiais do curso da Universidade da Carolina do Sul, "Um bloco e talha é uma combinação de roldanas que reduz a quantidade de força necessária para levantar algo. A compensação é que um comprimento maior de corda é necessário para um bloco e talha mover algo à mesma distância. "
Por mais simples que sejam, as polias ainda encontram uso nas novas máquinas mais avançadas. Por exemplo, a Hangprinter, uma impressora 3D que pode construir objetos do tamanho de móveis, emprega um sistema de fios e roldanas controladas por computador ancoradas nas paredes, piso e teto.
Parafuso
"Um parafuso é essencialmente um plano inclinado longo enrolado em um eixo, então sua vantagem mecânica pode ser abordada da mesma forma que a inclinação", de acordo com HyperPhysics, um site produzido pela Georgia State University. Muitos dispositivos usam parafusos para exercer uma força muito maior do que a força usada para girar o parafuso. Esses dispositivos incluem tornos de bancada e porcas de roda de automóveis. Eles ganham uma vantagem mecânica não apenas com o parafuso em si, mas também, em muitos casos, com a alavanca de um longo cabo usado para girar o parafuso.
Cunha
De acordo com o Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México, "as cunhas estão movendo planos inclinados que são movidos sob cargas para levantar ou em uma carga para dividir ou separar." Uma cunha mais longa e mais fina oferece mais vantagem mecânica do que uma cunha mais curta e mais larga, mas uma cunha faz outra coisa: a principal função de uma cunha é mudar a direção da força de entrada. Por exemplo, se quisermos dividir uma tora, podemos enfiar uma cunha para baixo na extremidade da tora com grande força usando uma marreta, e a cunha redirecionará essa força para fora, fazendo com que a madeira se rache. Outro exemplo é um batente de porta, onde a força usada para empurrá-lo sob a borda da porta é transferida para baixo, resultando em uma força de atrito que resiste ao deslizamento pelo chão.
Reportagem adicional de Charles Q. Choi, colaborador
Recursos adicionais
- John H. Lienhard, professor emérito de engenharia mecânica e história da Universidade de Houston, dá "outra olhada na invenção da roda".
- O Centro de Ciência e Indústria em Columbus, Ohio, tem uma explicação interativa de máquinas simples.
- HyperPhysics, um site produzido pela Georgia State University, ilustrou explicações das seis máquinas simples.
Encontre algumas atividades divertidas envolvendo máquinas simples no Museu de Ciência e Indústria de Chicago.