Sepanjang sejarah, manusia telah mengembangkan beberapa perangkat untuk mempermudah pekerjaan. Yang paling terkenal dari ini dikenal sebagai "enam mesin sederhana": roda dan poros, tuas, bidang miring, katrol, sekrup, dan irisan, meskipun tiga yang terakhir sebenarnya hanya ekstensi atau kombinasi dari yang pertama tiga.
Karena pekerjaan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu benda ke arah gerakan, sebuah mesin membuat pekerjaan lebih mudah untuk dilakukan dengan menyelesaikan satu atau lebih fungsi berikut, menurut Jefferson Lab:
- mentransfer kekuatan dari satu tempat ke tempat lain,
- mengubah arah gaya,
- meningkatkan besaran gaya, atau
- meningkatkan jarak atau kecepatan gaya.
Mesin sederhana adalah perangkat tanpa, atau sangat sedikit, bagian yang bergerak yang membuat pekerjaan lebih mudah. Banyak alat kompleks saat ini hanyalah kombinasi atau bentuk yang lebih rumit dari enam mesin sederhana, menurut University of Colorado di Boulder. Misalnya, kita bisa memasang pegangan panjang ke poros untuk membuat mesin kerek, atau menggunakan blok dan menangani untuk menarik beban ke jalan. Meskipun mesin-mesin ini mungkin tampak sederhana, mereka terus memberi kami sarana untuk melakukan banyak hal yang tidak akan pernah dapat kami lakukan tanpanya.
Roda dan poros
Roda dianggap sebagai salah satu penemuan paling signifikan dalam sejarah dunia. "Sebelum penemuan roda pada 3500 SM, manusia sangat terbatas dalam berapa banyak barang yang bisa kamiangkut di darat, dan seberapa jauh," tulis Natalie Wolchover dalam artikel Live Science "10 Penemuan Top yang Mengubah Dunia." "Gerobak roda memfasilitasi pertanian dan perdagangan dengan memungkinkan pengangkutan barang ke dan dari pasar, serta meringankan beban orang-orang yang melakukan perjalanan jarak jauh."
Roda sangat mengurangi gesekan yang ditemui ketika suatu benda digerakkan di atas permukaan. "Jika Anda meletakkan lemari arsip Anda di atas gerobak kecil dengan roda, Anda dapat mengurangi kekuatan yang Anda butuhkan untuk memindahkan kabinet dengan kecepatan konstan," menurut University of Tennessee.
Dalam bukunya "Ilmu Kuno: Prasejarah-500 Masehi" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels menulis, "Di beberapa bagian dunia, benda berat seperti batu dan perahu dipindahkan menggunakan roller log. Ketika objek bergerak maju, roller diambil dari belakang dan diganti di depan. " Ini adalah langkah pertama dalam pengembangan roda.
Namun, inovasi hebatnya adalah memasang roda pada as roda. Roda dapat dilampirkan ke poros yang didukung oleh bantalan, atau dapat dibuat untuk berputar bebas tentang poros. Hal ini menyebabkan pengembangan kereta, gerbong dan kereta. Menurut Samuels, arkeolog menggunakan pengembangan roda yang berputar pada poros sebagai indikator peradaban yang relatif maju. Bukti paling awal dari roda pada as adalah dari sekitar 3200 SM. oleh orang Sumeria. Orang Cina secara mandiri menemukan roda pada tahun 2800 SM.
Pengganda paksa
Selain mengurangi gesekan, roda dan gandar juga dapat berfungsi sebagai pengganda gaya, menurut Science Quest dari Wiley. Jika roda terpasang pada poros, dan gaya digunakan untuk memutar roda, gaya rotasi, atau torsi, pada poros jauh lebih besar daripada gaya yang diterapkan pada tepi roda. Atau, pegangan yang panjang dapat dipasang ke gandar untuk mencapai efek yang serupa.
Lima mesin lainnya semuanya membantu manusia meningkatkan dan / atau mengarahkan gaya yang diterapkan pada suatu objek. Dalam buku mereka "Moving Big Things" (Sudah waktunya, 2009), Janet L. Kolodner dan rekan penulisnya menulis, "Mesin memberikan keuntungan mekanis untuk membantu dalam memindahkan objek. Keuntungan mekanis adalah pertukaran antara kekuatan dan jarak. " Dalam diskusi berikut tentang mesin sederhana yang meningkatkan gaya yang diterapkan pada inputnya, kami akan mengabaikan gaya gesekan, karena dalam sebagian besar kasus ini, gaya gesek sangat kecil dibandingkan dengan gaya input dan output yang terlibat.
Ketika gaya diterapkan pada jarak, itu menghasilkan kerja. Secara matematis, ini dinyatakan sebagai W = F × D. Misalnya, untuk mengangkat objek, kita harus melakukan pekerjaan untuk mengatasi gaya akibat gravitasi dan memindahkan objek ke atas. Untuk mengangkat objek yang dua kali lebih berat, perlu dua kali lebih banyak pekerjaan untuk mengangkatnya dari jarak yang sama. Dibutuhkan kerja dua kali lebih banyak untuk mengangkat objek yang sama sejauh dua kali lipat. Seperti yang ditunjukkan oleh matematika, manfaat utama mesin adalah memungkinkan mereka melakukan jumlah pekerjaan yang sama dengan menerapkan gaya yang lebih kecil pada jarak yang lebih jauh.
Tuas
"Beri aku tuas dan tempat untuk berdiri, dan aku akan memindahkan dunia." Klaim sombong ini dikaitkan dengan filsuf Yunani abad ketiga, ahli matematika dan penemu Archimedes. Meskipun mungkin sedikit berlebihan, itu memang mengungkapkan kekuatan leverage, yang, setidaknya secara kiasan, menggerakkan dunia.
Kejeniusan Archimedes adalah untuk menyadari bahwa untuk mencapai jumlah atau pekerjaan yang sama, seseorang dapat melakukan pertukaran antara kekuatan dan jarak menggunakan tuas. Hukum Lever-nya menyatakan, "Magnitude berada dalam keseimbangan pada jarak yang berbanding terbalik dengan bobotnya," menurut "Archimedes in the 21st Century," sebuah buku virtual oleh Chris Rorres di New York University.
Tuas terdiri dari balok panjang dan titik tumpu, atau pivot. Keuntungan mekanis tuas tergantung pada rasio panjang balok di kedua sisi titik tumpu.
Sebagai contoh, katakanlah kita ingin mengangkat 100-lb. (45 kilogram) berat 2 kaki (61 sentimeter) dari tanah. Kita bisa mengerahkan 100 lbs. kekuatan pada berat ke arah atas untuk jarak 2 kaki, dan kami telah melakukan pekerjaan 200 pound-kaki (271 Newton-meter). Namun, jika kita menggunakan tuas 30 kaki (9 m) dengan satu ujung di bawah beban dan tumpuan 1 kaki (30,5 cm) ditempatkan di bawah balok 10 kaki (3 m) dari berat, kita hanya akan memiliki untuk menekan di ujung lainnya dengan £ 50. (23 kg) kekuatan untuk mengangkat beban. Namun, kita harus mendorong ujung tuas ke bawah 4 kaki (1,2 m) untuk mengangkat berat 2 kaki. Kami telah melakukan trade-off di mana kami menggandakan jarak kami harus menggerakkan tuas, tetapi kami mengurangi setengah dari kekuatan yang dibutuhkan untuk melakukan jumlah pekerjaan yang sama.
Bidang miring
Bidang miring hanyalah permukaan datar yang diangkat pada sudut, seperti jalan. Menurut Bob Williams, seorang profesor di departemen teknik mesin di Russ College of Engineering and Technology di Ohio University, pesawat miring adalah cara mengangkat beban yang terlalu berat untuk diangkat lurus ke atas. Sudut (kecuraman bidang miring) menentukan berapa banyak upaya yang diperlukan untuk menaikkan berat. Semakin curam jalan, semakin banyak upaya yang diperlukan. Itu berarti bahwa jika kita mengangkat 100-lb kita. Berat 2 kaki dengan menggulungnya menanjak 4 kaki, kami mengurangi kekuatan yang dibutuhkan setengah sementara menggandakan jarak itu harus dipindahkan. Jika kita menggunakan tanjakan 8-kaki (2,4 m), kita bisa mengurangi kekuatan yang dibutuhkan menjadi hanya 25 lbs. (11,3 kg).
Katrol
Jika kita ingin mengangkat 100-lb yang sama. berat dengan tali, kita bisa menempelkan katrol ke balok di atas berat. Ini akan memungkinkan kita menarik ke bawah daripada di atas tali, tetapi masih membutuhkan 100 lbs. kekuatan. Namun, jika kita harus menggunakan dua katrol - satu melekat pada balok overhead, dan yang lain melekat pada berat - dan kita harus menempelkan satu ujung tali ke balok, jalankan melalui katrol pada berat dan kemudian melalui katrol pada balok, kita hanya perlu menarik tali dengan 50 lbs. kekuatan untuk mengangkat beban, meskipun kita harus menarik tali 4 kaki untuk mengangkat berat 2 kaki. Sekali lagi, kami telah memperdagangkan peningkatan jarak untuk penurunan kekuatan.
Jika kita ingin menggunakan kekuatan yang lebih kecil pada jarak yang lebih jauh, kita dapat menggunakan blok dan tekel. Menurut bahan pelajaran dari University of South Carolina, "Blok dan tekel adalah kombinasi dari katrol yang mengurangi jumlah gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat sesuatu. Yang menjadi pertukaran adalah bahwa dibutuhkan tali yang lebih panjang untuk sebuah blok dan tekel untuk memindahkan sesuatu dengan jarak yang sama. "
Sesederhana katrol, mereka masih digunakan di mesin-mesin baru yang paling canggih. Misalnya, Hangprinter, sebuah printer 3D yang dapat membangun objek berukuran furnitur, menggunakan sistem kabel dan katrol yang dikendalikan komputer yang tertambat di dinding, lantai, dan langit-langit.
Sekrup
"Sekrup pada dasarnya adalah bidang miring panjang yang melilit poros, sehingga keunggulan mekanisnya dapat didekati dengan cara yang sama dengan kemiringan," menurut HyperPhysics, situs web yang diproduksi oleh Universitas Negeri Georgia. Banyak perangkat menggunakan sekrup untuk mengerahkan kekuatan yang jauh lebih besar dari gaya yang digunakan untuk memutar sekrup. Perangkat-perangkat ini termasuk bangku cadangan dan mur roda pada roda mobil. Mereka mendapatkan keuntungan mekanis tidak hanya dari sekrup itu sendiri tetapi juga, dalam banyak kasus, dari pengungkit pegangan panjang yang digunakan untuk memutar sekrup.
Baji
Menurut Institut Penambangan dan Teknologi New Mexico, "Wedges memindahkan pesawat miring yang didorong di bawah beban untuk diangkat, atau ke dalam beban untuk dibelah atau dipisahkan." Baji yang lebih panjang dan lebih tipis memberikan keuntungan mekanis lebih banyak daripada baji yang lebih pendek dan lebih lebar, tetapi baji melakukan sesuatu yang lain: Fungsi utama baji adalah mengubah arah gaya masukan. Misalnya, jika kita ingin memecah log, kita bisa mendorong baji ke bawah ke ujung log dengan kekuatan besar menggunakan palu godam, dan baji akan mengarahkan kekuatan ini ke luar, menyebabkan kayu terbelah. Contoh lain adalah palang pintu, di mana gaya yang digunakan untuk mendorongnya di bawah tepi pintu ditransfer ke bawah, menghasilkan gaya gesekan yang menahan meluncur di lantai.
Temukan beberapa kegiatan menyenangkan yang melibatkan mesin sederhana di Museum Sains dan Industri di Chicago.
