Máquinas simples: história, características, tipos, exemplos - Ciência - 2023

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As máquinas simples Eles são dispositivos mecânicos que mudam a magnitude ou direção de uma força. Eles geralmente podem ser definidos como os aparelhos mais básicos que usam uma vantagem mecânica, também chamada de alavanca, para aumentar a força.

Ao longo da história, os humanos desenvolveram vários dispositivos para facilitar o trabalho. As mais importantes são conhecidas como os seis tipos de máquinas simples: a alavanca, a roda e o eixo, a polia, o plano inclinado, a cunha e o parafuso.

Quando você ouve a palavra máquina, pensa em algo como uma escavadeira ou uma máquina a vapor. No entanto, na ciência, uma máquina é qualquer coisa que torne uma força maior.

Uma máquina pode aumentar a quantidade de força produzida, ao custo de uma redução proporcional na distância que a carga percorre. A vantagem mecânica é chamada de relação entre a força produzida e a força aplicada.

Uma máquina simples usa uma única força aplicada que funciona contra uma única força de carregamento. Ignorando as perdas por atrito, o trabalho realizado na carga é igual ao trabalho realizado pela força aplicada.

Blocos elementares

Máquinas simples estão por toda parte, sendo usadas todos os dias para realizar tarefas simples. Eles também têm sido usados desde os primeiros dias da existência humana.

As máquinas simples podem ser consideradas os blocos elementares dos quais todas as máquinas mais complexas são compostas, chamados de máquinas compostas.

No mecanismo de uma bicicleta, por exemplo, são utilizadas polias, alavancas e rodas. A vantagem mecânica de uma máquina composta nada mais é do que o resultado das vantagens mecânicas das máquinas simples que a compõem.

No entanto, embora continuem a ser considerados muito importantes na mecânica e na ciência aplicada, a mecânica moderna transcendeu essa visão das máquinas simples como os blocos elementares dos quais todas as máquinas são compostas.

História

Ideias iniciais

Por volta do século III aC. C. originou a ideia de uma máquina simples, com o filósofo grego Arquimedes, que estudou as seguintes máquinas simples: alavanca, polia e parafuso.

Ele descobriu na alavanca o princípio da vantagem mecânica. Seu famoso comentário a respeito da alavanca: "Dê-me um lugar para me inclinar e eu moverei a Terra" expressa seu entendimento de que não havia limite para a quantidade de aumento de força que poderia ser alcançado com o uso de vantagem mecânica.

Filósofos gregos posteriores definiram cinco máquinas clássicas simples e foram capazes de calcular a vantagem mecânica que elas tinham.

Por exemplo, no trabalho MecânicaHeron of Alexandria (10-75 DC) lista cinco dispositivos que podem colocar uma carga em movimento: polia, roda e eixo, alavanca, parafuso e cunha, detalhando sua fabricação e uso.

No entanto, o conhecimento dos gregos restringia-se à estática das máquinas simples (o equilíbrio de forças), não incluindo a dinâmica, o conceito de trabalho ou o trade-off entre força e distância.

Período renascentista

A dinâmica das forças mecânicas, como eram chamadas as máquinas simples, começou a ser estudada durante o Renascimento, na perspectiva de até onde uma carga poderia ser levantada, além da força que poderia ser aplicada, o que acabou gerando o novo conceito de trabalho mecânico.

A vantagem mecânica do plano inclinado foi deduzida pelo engenheiro flamengo Simon Stevin em 1586. Foi incluído junto com as outras máquinas simples.

O cientista italiano Galileo Galilei elaborou em 1600 a teoria dinâmica completa das máquinas simples, em sua obra Le Meccaniche, onde revelou a semelhança matemática subjacente como amplificadores de potência dessas máquinas. Ele foi o primeiro a explicar que máquinas simples não criavam energia, apenas a transformavam.

Leonardo da Vinci descobriu as regras clássicas de fricção deslizante em máquinas, mas elas não foram publicadas ou documentadas em sua cartilha. Em 1699, Guillaume Amontons redescobriu essas regras e em 1785 elas foram desenvolvidas por Charles-Augustin de Coulomb.

Caracteristicas

Máquinas simples são dispositivos sem ou com muito poucas peças móveis, o que facilita o trabalho. A principal função de uma máquina simples é a amplificação da força ou a modificação do movimento.

Movimento e força

Movimento e força em uma máquina simples são inseparáveis. Eles estão sempre em relacionamento inverso.

A força produzida por uma alavanca é maior do que a força aplicada a ela, mas o movimento produzido é menor do que o movimento aplicado. Ou seja, um ganho de força é acompanhado por uma perda de movimento.

Trabalho

Na mecânica, trabalho é algo que as forças fazem quando se movem na direção em que estão agindo. Ou seja, quando uma força é aplicada para percorrer uma distância, o trabalho é produzido. Isso é expresso matematicamente como: Trabalho = Força × Distância.

Por exemplo, para levantar um objeto, deve-se realizar um trabalho que exceda a força da gravidade e, portanto, ser capaz de mover o objeto para cima.

Para levantar um objeto duas vezes mais pesado, é preciso trabalhar o dobro para levantá-lo à mesma distância. Também seria necessário o dobro de trabalho para levantar o mesmo objeto duas vezes mais longe.

Este conceito de trabalho é fundamental para definir a função mecânica em máquinas simples em termos de força e movimento, destacando a indissociabilidade força e movimento.

Vantagem mecânica

É a relação entre a força que realiza o trabalho em relação à força aplicada. Portanto, é a eficácia de amplificação de força de uma máquina simples.

A vantagem mecânica das máquinas simples significa que menos força pode ser usada para mover um objeto, mas ele precisa ser movido por uma distância maior.

Muitas vezes, uma tarefa é considerada difícil porque requer muita força. Usar a compensação entre distância e força pode tornar a tarefa muito mais fácil de ser concluída.

Um exemplo é empurrar um objeto pesado por uma rampa. É mais fácil empurrar o objeto pela rampa do que levantá-lo até a altura correta, mas ele deve ser carregado por uma distância maior.

Para que servem as máquinas simples?

Máquinas simples facilitam o trabalho, realizando uma ou mais das seguintes funções:

- Transfira uma força de um lugar para outro.

- Mude a direção de uma força.

- Aumente a magnitude de uma força.

- Aumente a distância de uma força.

Embora máquinas simples tenham muitas formas diferentes, elas vêm em seis tipos básicos:

- Cunha: dispositivo para separar coisas.

- Roda e eixo: serve para reduzir o atrito e como multiplicador de força.

- Alavanca: move-se em torno de um fulcro para aumentar ou diminuir a vantagem mecânica.

- Plano inclinado: levanta objetos ao subir uma encosta.

- Parafuso: um dispositivo que pode levantar ou segurar itens juntos.

- Polia: muda a direção de uma força.

Aumentar a força aplicada

Máquinas simples ajudam os humanos a aumentar a força aplicada a um objeto. Eles fornecem uma vantagem mecânica para ajudar a mover objetos.

Como indica a fórmula de trabalho, o principal benefício das máquinas simples é permitir que a mesma quantidade de trabalho seja realizada aplicando uma quantidade menor de força em uma distância maior.

Por exemplo, você quer levantar um objeto pesando 10 kg a 2 metros do solo. 10 kg de força podem ser exercidos sobre o objeto no sentido ascendente, por uma distância de 2 metros, realizando assim 20 Newtons de trabalho.

Se uma alavanca de 3 metros fosse usada, colocando o objeto em uma extremidade e colocando um fulcro de 10 cm sob a barra a 1 metro de distância do objeto, então para levantar o objeto você teria que empurrar para baixo na outra extremidade com uma força de apenas 5 quilogramas.

No entanto, a extremidade da alavanca teria que ser empurrada para baixo 4 metros para levantar o objeto apenas 2 metros.

Existe uma compensação. Abaixar a alavanca dobra a distância anterior, mas corta a força necessária pela metade, fazendo a mesma quantidade de trabalho.

Tipos

Alavanca

É uma espécie de barra rígida sustentada por um fulcro fixo. Consiste em uma carga, que é o objeto a ser movido ou levantado, um fulcro, que é o pivô, e um esforço, que é a força necessária para mover ou levantar a carga.

Aplicar uma força em uma extremidade da alavanca cria uma força maior na outra extremidade. A força aplicada aumentará ou diminuirá dependendo da distância do fulcro à carga e à tensão.

Roda e eixo

Consiste em uma roda presa a um eixo menor para que essas duas peças girem juntas, onde uma força é transferida de uma para a outra. Uma dobradiça suporta o eixo, permitindo a rotação.

Facilita o trabalho de movimentação de objetos em distâncias. A roda, que é a extremidade redonda, gira com o eixo cilíndrico, causando o movimento.

Também pode amplificar a força. Uma pequena força aplicada à circunferência de uma roda grande pode mover uma carga maior presa a um eixo.

Polia

Ele é projetado para suportar o movimento e a mudança de direção de uma corda esticada. A corda envolve uma roda. Conforme a roda gira, a corda se move em qualquer direção.

Se houver um gancho conectado à corda, o giro da roda pode ser utilizado para levantar e abaixar objetos, facilitando o trabalho.

Plano inclinado

É uma superfície plana, com uma extremidade mais alta que a outra, usada como suporte para elevar ou baixar uma carga. Eles são amplamente usados para mover cargas pesadas sobre obstáculos verticais.

Mover um objeto em um plano inclinado requer menos força do que levantá-lo diretamente, ao custo de um aumento na distância percorrida.

A vantagem mecânica de um plano inclinado é igual à relação entre o comprimento da superfície inclinada e a altura que ela cobre.

Berço

É uma ferramenta de formato triangular. Ele pode ser usado para separar dois objetos, remover pedaços de um objeto, levantá-lo ou segurar um objeto no lugar.

Ele funciona convertendo uma força aplicada à sua extremidade cega em forças perpendiculares à sua superfície inclinada.

A vantagem mecânica é dada pela relação entre o comprimento da inclinação e a largura.

Parafuso

É um mecanismo que converte o movimento rotacional em movimento linear e a força rotacional (torque) em força linear. Um parafuso é realmente outro tipo de plano inclinado.

Sua forma mais comum consiste em um eixo cilíndrico com ranhuras helicoidais chamadas de roscas ao longo do lado externo.

O parafuso passa por um orifício em outro objeto ou meio com roscas internas que se encaixam nas roscas do parafuso.

Exemplos

Alavancas

Alguns exemplos de alavancas são maçanetas, garras em um martelo removedor de pregos, alavancas de ferro, interruptores de luz, abridores de garrafa e dobradiças.

Rodas e eixos

Eles são encontrados onde as coisas giram em círculo, como um ventilador elétrico, um motor, uma porta giratória, um carrossel e qualquer roda, seja no carro, em um skate ou em uma bicicleta.

Roldanas

Eles são usados em cortinas e persianas para movê-los para cima e para baixo, ou para frente e para trás.

Eles podem trazer algo do chão, como uma bandeira em um mastro. A corda é puxada para baixo, mas a bandeira sobe.

Também são usados na indústria para içar e baixar cargas pesadas, em navios para içar e baixar velas ou em guindastes para movimentar equipamentos de construção.

Os elevadores também usam polias para mover o carro para baixo e para cima de um andar a outro.

Aviões inclinados

Eles são usados em parques de scooters, rampas para cadeiras de rodas e para transportar equipamentos pesados dentro e fora da traseira de caminhões.

Versões modificadas de rampa são encontradas em escadas, escadas rolantes, trilhas para caminhada e até mesmo em escorregadores usados para deixar a correspondência na caixa de correio, até um trem subindo uma ladeira.

Berço

Alguns exemplos de cunhas usadas para separar podem ser uma pá, uma faca, um machado, uma picareta, uma serra, uma tesoura ou um furador de gelo.

As cunhas também podem manter as coisas juntas, como no caso de um grampo, alfinetes, tachas, pregos ou batentes de porta.

Parafuso

Alguns exemplos são uma furadeira, uma tampa de frasco, uma lâmpada, um parafuso, tampas de garrafa, torneiras e canetas.

Outro uso do parafuso é em um dispositivo chamado bomba de parafuso. É uma enorme máquina hidráulica em forma de parafuso que entra na água. Ao girar, graças ao seu formato de parafuso, a água sobe pelo eixo retorcido, subindo até onde é necessária. As bombas helicoidais são freqüentemente usadas para irrigação e em ambientes agrícolas, como fazendas.

Referências

Wikipedia, a enciclopédia livre (2019). Máquina simples. Retirado de: en.wikipedia.org.
Televisão pública de Idaho (2019). Máquinas simples: fatos. Retirado de: idahoptv.org.
Jim Lucas (2018). 6 máquinas simples: tornando o trabalho mais fácil. Ciência Viva. Retirado de: livescience.com.
Ensino de Engenharia (2019). Engenharia: Máquinas Simples. Retirado de: teachengineering.org.
Para professores para alunos (2019). O que são máquinas simples? Retirado de: forteachersforstudents.com.au.
Governo do Estado de Victoria (2019). Máquinas simples. Retirado de: education.vic.gov.au.
Vex IQ (2019). Os seis tipos de máquinas simples. Retirado de: vexrobotics.com.