Ao longo da história, os seres humanos desenvolveram vários dispositivos para facilitar o trabalho. As mais notáveis 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 da primeira três.
Como o trabalho é definido como a força que age sobre um objeto na direção do movimento, uma máquina facilita a execução do trabalho, realizando uma ou mais das seguintes funções, de acordo com o Jefferson Lab:
- transferindo uma força de um lugar para outro,
- mudando a direção de uma força,
- aumentar a magnitude de uma força, ou
- aumentando a distância ou velocidade de uma força.
Máquinas simples são dispositivos sem, ou 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 alça longa a um eixo para fazer um molinete ou usar um bloco e equipamento para puxar uma carga para cima de 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 seres humanos eram muito limitados em quanta coisa poderíamos transportar por terra e até onde", escreveu Natalie Wolchover no artigo da Live Science "As 10 principais invenções que mudaram o mundo". "Os carros 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 bastante o atrito encontrado quando um objeto é movido sobre uma superfície. "Se você colocar o seu arquivo em um carrinho com rodas, poderá reduzir bastante a força necessária para movê-lo a uma velocidade constante", de acordo com a Universidade do Tennessee.
Em seu livro "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels escreve: "Em partes do mundo, objetos pesados, como pedras e barcos, eram movidos usando rolos de toras. À medida que o objeto avançava, os roletes foram retirados por trás e recolocados na frente ". Este foi o primeiro passo no desenvolvimento da roda.
A grande inovação, porém, foi montar uma roda em um eixo. A roda pode ser presa a um eixo que é suportado por um rolamento, ou pode ser feita para girar livremente em torno do eixo. Isso levou ao desenvolvimento de carroças, vagões e carros. Segundo Samuels, os arqueólogos usam o desenvolvimento de uma roda que gira em um eixo como um indicador de uma civilização relativamente avançada. A evidência mais antiga de rodas nos eixos é de cerca de 3200 a.C. pelos sumérios. Os chineses inventaram independentemente a roda em 2800 a.C.
Multiplicadores de força
Além de reduzir o atrito, uma roda e um eixo também podem servir como multiplicador de forças, de acordo com a Science Quest de Wiley. Se uma roda estiver presa a um eixo e for usada uma força para girar a roda, a força rotacional ou o torque no eixo será muito maior do que a força aplicada ao aro da roda. Como alternativa, uma alça longa pode ser acoplada ao eixo para obter um efeito semelhante.
As outras cinco máquinas ajudam os humanos a aumentar e / ou redirecionar a força aplicada a um objeto. No livro "Moving Big Things" (já está na hora de 2009), Janet L. Kolodner e seus co-autores escrevem: "Máquinas fornecem vantagens mecânicas para auxiliar no movimento de objetos. A vantagem mecânica é a troca entre força e distância. " Na discussão a seguir sobre as máquinas simples que aumentam a força aplicada às suas entradas, negligenciaremos a força de atrito, porque na maioria desses casos, a força de atrito é muito pequena comparada às 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 levantar um objeto, precisamos trabalhar para superar a força devido à gravidade e mover o objeto para cima. Para levantar um objeto com o dobro do peso, é preciso o dobro do trabalho para levantá-lo à mesma distância. Também é preciso o dobro do trabalho para levantar o mesmo objeto duas vezes mais. Conforme indicado pela matemática, o principal benefício das máquinas é que elas nos permitem realizar a mesma quantidade de trabalho aplicando uma quantidade menor de força a uma distância maior.
Alavanca
"Dê-me uma alavanca e um lugar para ficar, e eu moverei o mundo." Essa alegação arrogante é atribuída ao filósofo, matemático e inventor grego do século III Arquimedes. Embora possa ser um exagero, ele expressa o poder da alavancagem, que, pelo menos figurativamente, move o mundo.
O gênio de Arquimedes era perceber que, para realizar a mesma quantidade ou trabalho, era possível fazer uma troca 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 XXI", um livro virtual de Chris Rorres na Universidade de Nova York.
A alavanca consiste em uma viga longa e um ponto de apoio ou pivô. A vantagem mecânica da alavanca depende da proporção dos comprimentos da viga em ambos os lados do ponto de apoio.
Por exemplo, digamos que queremos elevar 100 libras. (45 kg) pesam 2 pés (61 centímetros) do chão. Podemos exercer 100 libras. de força no peso na direção ascendente por uma distância de 2 pés, e fizemos 271 Newton-metros de trabalho. No entanto, se usássemos uma alavanca de 9 metros com uma extremidade abaixo do peso e um ponto de apoio de 30,5 cm colocado sob a viga a 3 metros do peso, teríamos apenas empurrar para baixo na outra extremidade com 50 libras. (23 kg) de força para levantar o peso. No entanto, teríamos que empurrar a ponta da alavanca para baixo 4 pés (1,2 m) para levantar o peso 2 pés. Fizemos uma troca na qual 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 levantada em ângulo, como uma rampa. De acordo com Bob Williams, professor do departamento de engenharia mecânica da Faculdade de Engenharia e Tecnologia Russ da Universidade de Ohio, um avião inclinado é uma maneira de elevar uma carga que seria muito pesada para ser erguida para cima. O ângulo (a inclinação do plano inclinado) determina quanto esforço é necessário para aumentar o peso. Quanto mais íngreme for a rampa, mais esforço será necessário. Isso significa que, se levantarmos nossos 100 libras. pesando 2 pés, rolando-a numa rampa de 4 pés, reduzimos a força necessária pela metade e dobramos a distância em que ela deve ser movida. Se usássemos uma rampa de 2,4 m, poderíamos reduzir a força necessária para apenas 25 libras. (11,3 kg).
Polia
Se queremos levantar o mesmo 100 libras. peso com uma corda, poderíamos anexar uma polia a uma viga acima do peso. Isso nos deixaria puxar para baixo, em vez de puxar a corda, mas ainda requer 100 libras. de força. No entanto, se usarmos duas polias - uma presa à viga suspensa e a outra presa ao peso - e formos prender uma extremidade da corda à viga, passe-a pela polia sobre o peso e depois 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. Novamente, trocamos uma distância maior por força reduzida.
Se quisermos usar ainda menos força a uma distância ainda maior, podemos usar um bloqueio e atacar. De acordo com os materiais do curso da Universidade da Carolina do Sul, "Um bloqueio é uma combinação de polias que reduz a quantidade de força necessária para levantar alguma coisa. A desvantagem é que é necessário um comprimento maior de corda para um bloqueio e ataque" para mover algo à mesma distância ".
Por mais simples que sejam as polias, elas ainda estão sendo utilizadas 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 polias controladas por computador, ancoradas nas paredes, piso e teto.
Parafuso
"Um parafuso é essencialmente um plano de inclinação longo enrolado em um eixo, de modo que sua vantagem mecânica pode ser abordada da mesma maneira que a inclinação", de acordo com o HyperPhysics, um site produzido pela Georgia State University. Muitos dispositivos usam parafusos para exercer uma força muito maior que a força usada para girar o parafuso. Esses dispositivos incluem vícios de bancada e porcas de rodas nas rodas de automóveis. Eles obtêm uma vantagem mecânica não apenas do próprio parafuso, mas também, em muitos casos, da alavanca de uma alça longa usada 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 acionados sob cargas para levantar ou em uma carga para dividir ou separar". Uma cunha mais longa e 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 alterar a direção da força de entrada. Por exemplo, se queremos dividir um tronco, podemos conduzir uma cunha para baixo até o final do tronco com grande força usando uma marreta, e a cunha redirecionará essa força para fora, fazendo com que a madeira se separe. Outro exemplo é um batente da porta, onde a força usada para empurrá-lo sob a borda da porta é transferida para baixo, resultando em força de atrito que resiste ao deslizamento pelo chão.
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