เครื่องจักรอย่างง่าย: ประวัติลักษณะประเภทตัวอย่าง - เทคโนโลยี - 2025

ง่ายเครื่องเป็นอุปกรณ์เครื่องจักรกลที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดหรือทิศทางของแรง โดยทั่วไปสามารถกำหนดได้ว่าเป็นเครื่องมือที่ไม่มีกระดูกส่วนใหญ่ที่ใช้ประโยชน์เชิงกลหรือที่เรียกว่าการงัดเพื่อเพิ่มแรง

ตลอดประวัติศาสตร์มนุษย์ได้พัฒนาอุปกรณ์ต่างๆเพื่ออำนวยความสะดวกในการทำงาน สิ่งที่สำคัญที่สุดเรียกว่าเครื่องจักรง่ายๆ 6 ประเภท: คันโยกล้อและเพลารอกระนาบเอียงลิ่มและสกรู

ที่มา: John Mills

เมื่อคุณได้ยินคำว่าเครื่องจักรคุณจะนึกถึงรถขุดหรือรถจักรไอน้ำ อย่างไรก็ตามในทางวิทยาศาสตร์เครื่องจักรคืออะไรก็ตามที่ทำให้แรงมีค่ามากขึ้น

เครื่องจักรสามารถเพิ่มปริมาณแรงที่ผลิตได้โดยมีต้นทุนลดลงตามสัดส่วนของระยะทางที่โหลดเดินทาง ความได้เปรียบเชิงกลเรียกว่าความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่ผลิตและแรงที่กระทำ

เครื่องจักรที่เรียบง่ายใช้แรงกระทำเพียงครั้งเดียวซึ่งทำงานกับแรงโหลดเดียว โดยไม่สนใจการสูญเสียแรงเสียดทานงานที่ทำกับโหลดเท่ากับงานที่ทำโดยแรงที่กระทำ

บล็อกธาตุ

เครื่องจักรที่เรียบง่ายมีอยู่ทั่วไปถูกใช้ทุกวันเพื่อทำงานง่ายๆ นอกจากนี้ยังถูกใช้มาตั้งแต่ยุคแรกสุดของการดำรงอยู่ของมนุษย์

เครื่องจักรที่เรียบง่ายถือได้ว่าเป็นบล็อกพื้นฐานที่ประกอบด้วยเครื่องจักรที่ซับซ้อนมากขึ้นทั้งหมดเรียกว่าเครื่องจักรผสม

ในกลไกของจักรยานเช่นใช้รอกคันโยกและล้อ ข้อได้เปรียบเชิงกลของเครื่องจักรผสมไม่มีอะไรมากไปกว่าผลของข้อได้เปรียบเชิงกลของเครื่องจักรง่ายๆที่ประกอบขึ้น

อย่างไรก็ตามแม้ว่ากลไกเหล่านี้จะถือว่ามีความสำคัญอย่างมากในกลศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ แต่กลศาสตร์สมัยใหม่ได้ก้าวข้ามวิสัยทัศน์ของเครื่องจักรที่เรียบง่ายในฐานะบล็อกพื้นฐานที่เครื่องจักรทั้งหมดประกอบด้วย

ประวัติศาสตร์

ความคิดเริ่มต้น

ประมาณศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสต์ศักราช C. เริ่มต้นแนวคิดเรื่องเครื่องจักรอย่างง่ายโดยอาร์คิมีดีสนักปรัชญาชาวกรีกซึ่งศึกษาเครื่องจักรง่ายๆดังต่อไปนี้: คันโยกรอกและสกรู

เขาค้นพบหลักการของความได้เปรียบเชิงกลในคันโยก ความคิดเห็นที่มีชื่อเสียงของเขาเกี่ยวกับคันโยก: "ขอที่ให้ฉันเอนตัวแล้วฉันจะย้ายโลก" เป็นการแสดงออกถึงความเข้าใจของเขาว่าไม่มีการ จำกัด จำนวนแรงที่เพิ่มขึ้นซึ่งสามารถทำได้ด้วยการใช้ความได้เปรียบเชิงกล

นักปรัชญาชาวกรีกในเวลาต่อมาได้กำหนดเครื่องจักรคลาสสิกแบบเรียบง่ายห้าแบบและสามารถคำนวณความได้เปรียบเชิงกลที่พวกเขามี

ตัวอย่างเช่นในกลศาสตร์การทำงานของเขา Heron of Alexandria (10-75 AD) จะแสดงรายการอุปกรณ์ห้าชิ้นที่สามารถตั้งค่าการเคลื่อนที่ได้ ได้แก่ รอกล้อและเพลาคันโยกสกรูและลิ่มโดยมีรายละเอียดการผลิตและการใช้งาน

อย่างไรก็ตามความรู้ของชาวกรีกถูก จำกัด ไว้ที่สถิตยศาสตร์ของเครื่องจักรที่เรียบง่าย (ความสมดุลของกองกำลัง) ไม่รวมพลวัตแนวคิดในการทำงานหรือการแลกเปลี่ยนระหว่างแรงและระยะทาง

ยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา

พลวัตของแรงทางกลซึ่งเรียกว่าเครื่องจักรอย่างง่ายเริ่มได้รับการศึกษาในช่วงยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาจากมุมมองของการยกน้ำหนักได้ไกลเพียงใดนอกเหนือจากแรงที่สามารถนำมาใช้ซึ่งในที่สุดก็นำไปสู่แนวคิดใหม่ งานเครื่องกล

ข้อได้เปรียบเชิงกลของเครื่องบินเอียงถูกอนุมานโดย Simon Stevin วิศวกรชาวเฟลมิชในปี 1586 ซึ่งรวมอยู่ในเครื่องอื่น ๆ

กาลิเลโอกาลิเลอีนักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีได้อธิบายเกี่ยวกับทฤษฎีพลวัตของเครื่องจักรอย่างง่ายในปี 1600 ในผลงานของเขา Le Meccaniche ซึ่งเขาได้เปิดเผยความคล้ายคลึงกันทางคณิตศาสตร์ที่เป็นพื้นฐานในฐานะเครื่องขยายแรงของเครื่องจักรเหล่านี้ เขาเป็นคนแรกที่อธิบายว่าเครื่องจักรธรรมดา ๆ ไม่ได้สร้างพลังงาน แต่เปลี่ยนมันเท่านั้น

Leonardo da Vinci ค้นพบกฎคลาสสิกของแรงเสียดทานแบบเลื่อนในเครื่องจักร แต่ไม่ได้เผยแพร่หรือบันทึกไว้ในไพรเมอร์ของเขา ในปี 1699 Guillaume Amontons ได้ค้นพบกฎเหล่านี้อีกครั้งและในปี 1785 ได้รับการพัฒนาโดย Charles-Augustin de Coulomb

ลักษณะเฉพาะ

เครื่องจักรที่เรียบง่ายคืออุปกรณ์ที่ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวหรือมีน้อยมากซึ่งทำให้การทำงานง่ายขึ้น หน้าที่หลักของเครื่องง่ายๆคือการขยายแรงหรือการปรับเปลี่ยนการเคลื่อนที่

การเคลื่อนไหวและแรง

การเคลื่อนไหวและแรงในเครื่องจักรธรรมดานั้นแยกออกจากกันไม่ได้ พวกเขามักจะผกผันความสัมพันธ์

แรงที่เกิดจากคันโยกมีค่ามากกว่าแรงที่กระทำกับมัน แต่การเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นจะน้อยกว่าการเคลื่อนไหวที่ใช้ นั่นคือการเพิ่มความแข็งแกร่งจะมาพร้อมกับการสูญเสียการเคลื่อนไหว

งาน

ในทางกลศาสตร์งานคือสิ่งที่บังคับให้ทำเมื่อเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่พวกเขากำลังทำอยู่ นั่นคือเมื่อแรงถูกนำไปใช้กับการเดินทางระยะไกลงานจะเกิดขึ้น สิ่งนี้แสดงทางคณิตศาสตร์เป็น: Work = Force × Distance

ตัวอย่างเช่นในการยกวัตถุต้องทำงานที่เกินแรงโน้มถ่วงจึงจะสามารถเคลื่อนย้ายวัตถุขึ้นไปได้

ในการยกวัตถุที่มีน้ำหนักมากขึ้นสองเท่าต้องใช้เวลาในการยกเป็นสองเท่าในระยะทางเท่ากัน นอกจากนี้ยังต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้นสองเท่าในการยกวัตถุเดียวกันให้ไกลเป็นสองเท่า

แนวคิดการทำงานนี้เป็นพื้นฐานในการกำหนดฟังก์ชันเชิงกลในเครื่องจักรอย่างง่ายในแง่ของแรงและการเคลื่อนที่โดยเน้นถึงความไม่สามารถแยกออกได้ของแรงและการเคลื่อนที่

ข้อได้เปรียบเชิงกล

มันคือความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่ทำงานกับแรงที่ใช้ ดังนั้นจึงเป็นประสิทธิผลในการขยายกำลังของเครื่องจักรอย่างง่าย

ข้อได้เปรียบเชิงกลของเครื่องจักรธรรมดาหมายความว่าสามารถใช้แรงในการเคลื่อนย้ายวัตถุได้น้อยลง แต่ต้องเคลื่อนย้ายในระยะทางที่ไกลขึ้น

งานมักจะรู้สึกว่ายากเพราะต้องใช้แรงมาก การใช้การแลกเปลี่ยนระหว่างระยะทางและแรงสามารถทำให้งานสำเร็จได้ง่ายขึ้นมาก

ตัวอย่างคือการผลักของหนักลงทางลาด การผลักวัตถุลงทางลาดทำได้ง่ายกว่าการยกขึ้นให้อยู่ในระดับความสูงที่ถูกต้อง แต่ต้องถือเป็นระยะทางที่ไกลขึ้น

เครื่องจักรง่ายๆมีไว้ทำอะไร?

เครื่องจักรที่เรียบง่ายทำให้การทำงานง่ายขึ้นโดยทำหน้าที่อย่างน้อยหนึ่งอย่างต่อไปนี้:

- ถ่ายโอนกองกำลังจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

- เปลี่ยนทิศทางของแรง

- เพิ่มขนาดของกองกำลัง

- เพิ่มระยะห่างของแรง

แม้ว่าเครื่องจักรแบบธรรมดาจะมีรูปแบบที่แตกต่างกันมากมาย แต่ก็มีหกประเภทพื้นฐาน:

- ลิ่ม: อุปกรณ์แยกสิ่งของ

- ล้อและเพลา: ใช้เพื่อลดแรงเสียดทานและเป็นตัวคูณแรง

- คันโยก: เคลื่อนไปรอบ ๆ ศูนย์กลางเพื่อเพิ่มหรือลดความได้เปรียบเชิงกล

- ระนาบเอียง: ยกสิ่งของเมื่อขึ้นทางลาดชัน

- สกรู: อุปกรณ์ที่สามารถยกหรือยึดสิ่งของเข้าด้วยกัน

- รอก: เปลี่ยนทิศทางของแรง

เพิ่มแรงที่ใช้

เครื่องจักรที่เรียบง่ายช่วยให้มนุษย์เพิ่มแรงที่กระทำต่อวัตถุ พวกเขาให้ประโยชน์เชิงกลเพื่อช่วยในการเคลื่อนย้ายสิ่งของ

ตามสูตรการทำงานที่ระบุไว้ประโยชน์หลักของเครื่องจักรอย่างง่ายคือช่วยให้สามารถทำงานได้ในปริมาณเท่ากันโดยใช้แรงน้อยกว่าในระยะทางที่มากขึ้น

ตัวอย่างเช่นคุณต้องการยกวัตถุที่มีน้ำหนัก 10 กิโลกรัมให้สูงจากพื้น 2 เมตร สามารถใช้แรง 10 กก. บนวัตถุในทิศทางขึ้นเป็นระยะทาง 2 เมตรจึงทำงานได้ 20 นิวตัน

หากใช้คันโยก 3 เมตรให้วางวัตถุที่ปลายด้านหนึ่งและวางศูนย์กลาง 10 ซม. ไว้ใต้แท่งที่ระยะ 1 เมตรจากวัตถุจากนั้นในการยกวัตถุคุณจะต้องดันลงที่ปลายอีกด้านหนึ่งด้วย แรงเพียง 5 กิโลกรัม

อย่างไรก็ตามปลายคันโยกจะต้องกดลงไป 4 เมตรเพื่อยกวัตถุเพียง 2 เมตร

มีการแลกเปลี่ยน การลดคันโยกจะเพิ่มระยะทางก่อนหน้าเป็นสองเท่า แต่ลดแรงที่ต้องใช้ลงครึ่งหนึ่งโดยทำงานในปริมาณเท่ากัน

ประเภท

คันโยก

เป็นแท่งแข็งชนิดหนึ่งที่มีศูนย์กลางคงที่เป็นจุดรองรับ ประกอบด้วยภาระซึ่งเป็นวัตถุที่จะเคลื่อนย้ายหรือยกขึ้นศูนย์กลางซึ่งเป็นจุดหมุนและความพยายามซึ่งเป็นแรงที่ต้องใช้ในการเคลื่อนย้ายหรือยกน้ำหนัก

การออกแรงที่ปลายด้านหนึ่งของคันโยกจะทำให้เกิดแรงมากขึ้นที่ปลายอีกด้านหนึ่ง แรงที่กระทำจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่กับระยะทางจากศูนย์กลางถึงโหลดและความเค้น

ล้อและเพลา

ประกอบด้วยล้อที่ติดอยู่กับเพลาที่เล็กกว่าเพื่อให้ทั้งสองส่วนนี้หมุนเข้าหากันโดยที่แรงจะถูกถ่ายเทจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง บานพับรองรับเพลาทำให้หมุนได้

อำนวยความสะดวกในการเคลื่อนย้ายสิ่งของในระยะทางไกล ล้อซึ่งเป็นปลายกลมจะหมุนไปพร้อมกับแกนทรงกระบอกทำให้เกิดการเคลื่อนที่

นอกจากนี้ยังสามารถขยายแรง แรงเพียงเล็กน้อยที่กระทำกับเส้นรอบวงของล้อขนาดใหญ่สามารถเคลื่อนย้ายน้ำหนักบรรทุกขนาดใหญ่ที่ติดอยู่กับเพลาได้

ลูกรอก

ออกแบบมาเพื่อรองรับการเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนทิศทางของเชือกตึง เชือกพันรอบล้อ เมื่อวงล้อหมุนเชือกจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางใดก็ได้

หากมีการเชื่อมต่อตะขอเข้ากับเชือกสามารถใช้การหมุนของล้อเพื่อยกและลดสิ่งของเพื่ออำนวยความสะดวกในการทำงาน

เครื่องบินเอียง

เป็นพื้นผิวเรียบโดยมีปลายด้านหนึ่งสูงกว่าอีกด้านหนึ่งใช้เป็นส่วนรองรับเพื่อเพิ่มหรือลดน้ำหนัก ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเคลื่อนย้ายสิ่งของที่มีน้ำหนักมากผ่านสิ่งกีดขวางในแนวตั้ง

การเคลื่อนย้ายวัตถุขึ้นระนาบเอียงต้องใช้แรงน้อยกว่าการยกโดยตรงโดยมีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นในระยะทางที่เดินทาง

ข้อได้เปรียบเชิงกลของระนาบเอียงเท่ากับอัตราส่วนของความยาวของพื้นผิวที่เอียงกับความสูงที่ครอบคลุม

เปล

เป็นเครื่องมือรูปสามเหลี่ยม สามารถใช้เพื่อแยกวัตถุสองชิ้นถอดชิ้นส่วนของวัตถุยกขึ้นหรือถือวัตถุเข้าที่

มันทำงานโดยการแปลงแรงที่กระทำกับปลายทู่ให้เป็นแรงที่ตั้งฉากกับพื้นผิวที่เอียง

ข้อได้เปรียบเชิงกลเกิดจากความสัมพันธ์ระหว่างความยาวของความลาดชันและความกว้าง

สกรู

เป็นกลไกที่แปลงการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้นและแรงหมุน (แรงบิด) เป็นแรงเชิงเส้น สกรูเป็นเครื่องบินเอียงอีกประเภทหนึ่งจริงๆ

รูปร่างที่พบมากที่สุดประกอบด้วยเพลาทรงกระบอกที่มีร่องเกลียวที่เรียกว่าเกลียวตามด้านนอก

สกรูจะผ่านรูในวัตถุอื่นหรือตัวกลางโดยมีเกลียวภายในที่ประกบกับเกลียวของสกรู

ตัวอย่าง

คันโยก

ตัวอย่างบางส่วนของคันโยก ได้แก่ มือจับประตูกรงเล็บค้อนถอนตะปูคันโยกสวิทช์ไฟที่เปิดขวดและบานพับ

ที่มา: pixabay.com

ล้อและเพลา

พบในที่ที่มีสิ่งต่างๆหมุนวนเป็นวงกลมเช่นพัดลมไฟฟ้ามอเตอร์ประตูหมุนม้าหมุนและล้อใด ๆ ไม่ว่าจะเป็นในรถสเก็ตบอร์ดหรือจักรยาน

ที่มา: pixabay.com

รอก

ใช้ในผ้าม่านและมู่ลี่เพื่อเลื่อนขึ้นลงหรือไปมา

พวกเขาสามารถนำอะไรบางอย่างขึ้นมาจากพื้นได้เช่นธงบนเสา เชือกถูกดึงลง แต่ธงกลับขึ้น

นอกจากนี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อยกและลดของหนักบนเรือเพื่อยกและลดใบเรือหรือในเครนเพื่อใช้ในการเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ก่อสร้าง

ลิฟต์ยังใช้รอกเพื่อเคลื่อนรถลงและขึ้นจากพื้นถึงพื้น

ที่มา: pixabay.com

เครื่องบินเอียง

ใช้ในสวนสกู๊ตเตอร์ทางลาดสำหรับรถเข็นและสำหรับเคลื่อนย้ายอุปกรณ์หนักเข้าและออกจากด้านหลังรถบรรทุก

พบทางลาดรุ่นดัดแปลงได้ที่บันไดบันไดเลื่อนทางเดินและแม้แต่บนสไลด์ที่ใช้ส่งจดหมายในกล่องจดหมายไปจนถึงรถไฟที่ขึ้นทางลาดชัน

ที่มา: pexels.com

เปล

ตัวอย่างของเวดจ์ที่ใช้แยกอาจเป็นพลั่วมีดขวานพลั่วเลื่อยกรรไกรหรือปิ๊กน้ำแข็ง

เวดจ์ยังสามารถยึดสิ่งของต่างๆเข้าด้วยกันเช่นในกรณีของลวดเย็บกระดาษหมุดตะปูหรือที่กั้นประตู

ที่มา: pixabay.com

สกรู

ตัวอย่างบางส่วน ได้แก่ สว่านฝาขวดหลอดไฟสลักฝาขวดก๊อกน้ำและปากกา

การใช้สกรูอีกอย่างหนึ่งอยู่ในอุปกรณ์ที่เรียกว่าปั๊มสกรู เป็นเครื่องไฮดรอลิกรูปเกลียวขนาดใหญ่ที่ลงไปในน้ำ เมื่อหมุนด้วยรูปทรงสกรูน้ำจะขึ้นไปบนเพลาบิดเพิ่มขึ้นไปยังจุดที่จำเป็น ปั๊มสกรูมักใช้เพื่อการชลประทานและในพื้นที่เกษตรกรรมเช่นฟาร์ม

ที่มา: pixabay.com

อ้างอิง

1. Wikipedia สารานุกรมเสรี (2019) เครื่องง่ายๆ นำมาจาก: en.wikipedia.org.
2. โทรทัศน์สาธารณะไอดาโฮ (2019). Simple Machines: ข้อเท็จจริง นำมาจาก: idahoptv.org.
3. จิมลูคัส (2018). 6 เครื่องจักรง่ายๆ: ทำให้การทำงานง่ายขึ้น วิทยาศาสตร์สด. นำมาจาก: livescience.com.
4. สอนวิศวกรรม (2019) วิศวกรรม: เครื่องจักรง่ายๆ นำมาจาก: teachengineering.org.
5. สำหรับครูสำหรับนักเรียน (2019) เครื่องจักรง่ายๆคืออะไร? นำมาจาก: forteachersforstudents.com.au.
6. รัฐบาลรัฐวิกตอเรีย (2019) เครื่องจักรง่ายๆ นำมาจาก: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019) เครื่องจักรง่ายๆทั้งหกประเภท นำมาจาก: vexrobotics.com.