Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο
Πύλη Εκπαιδευτικών

Φόντο

Οι απλές μηχανές είναι σημαντικές για την καθημερινή ζωή και μπορούν να βρεθούν στο σπίτι, στο σχολείο ή στην παιδική χαρά. Οι απλές μηχανές είναι εργαλεία που αλλάζουν το μέγεθος ή/και την κατεύθυνση της δύναμης για να διευκολύνουν την εργασία. Χρησιμοποιώντας απλές μηχανές, οι απλοί άνθρωποι μπορούν να σηκώσουν μεγάλες πέτρες, να μετακινήσουν ογκόλιθους σε μεγάλες αποστάσεις, ακόμη και να χτίσουν πυραμίδες.

Σε αυτήν την ενότητα, οι μαθητές θα εισαχθούν στις έννοιες της φυσικής της δύναμης και του έργου, καθώς και σε τέσσερις τύπους απλών μηχανών: κεκλιμένο επίπεδο, τροχός και άξονας, μοχλός και γρανάζια. Οι μαθητές θα είναι σε θέση να διερευνήσουν πώς μπορεί να εφαρμοστεί δύναμη για να διευκολυνθεί η εργασία με 4 κατασκευές που περιλαμβάνουν αυτές τις απλές μηχανές: ένα κεκλιμένο επίπεδο, έναν μοχλό εξισορρόπησης, ένα ελατηριωτό βαγόνι και ένα ρολόι. Οι μαθητές θα αποκτήσουν επίσης γνώσεις σχετικά με εργαλεία που χρησιμοποιούνται από την αρχαιότητα και εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα.

Κατασκευή επικλινούς επιπέδου VEX GO

Τι είναι μια απλή μηχανή;

Μια απλή μηχανή είναι ένα εργαλείο που αλλάζει το μέγεθος και την κατεύθυνση μιας δύναμης για να μετακινήσει ένα αντικείμενο. Οι απλές μηχανές είναι συσκευές με λίγα ή καθόλου κινούμενα μέρη που διευκολύνουν την εργασία. Οι απλές μηχανές υπάρχουν εδώ και χιλιάδες χρόνια και εξακολουθούν να είναι χρήσιμες. Σε αυτήν την ενότητα, οι μαθητές θα εισαχθούν σε τέσσερις τύπους απλών μηχανών: κεκλιμένο επίπεδο, τροχός και άξονας, μοχλόςκαι ταχύτητες.

Κεκλιμένο επίπεδο Μοχλός Τροχός & Άξονας Γρανάζι
Το κεκλιμένο επίπεδο είναι μια κεκλιμένη επιφάνεια που χρησιμοποιείται για την ανύψωση ή το χαμήλωμα ενός αντικειμένου. Μια κινητή ράβδος που είναι προσαρτημένη ή τοποθετημένη σε ένα σημείο περιστροφής που ονομάζεται υπομόχλιο. Διευκολύνει την μετακίνηση αντικειμένων κυλώντας τα, μειώνοντας έτσι την τριβή. Ένας τροχός με δόντια γύρω από τις άκρες και χρησιμοποιείται για τη μεταφορά, αύξηση ή μείωση της δύναμης.
Σχέδιο ενός ατόμου που σπρώχνει ένα μεγάλο στρογγυλό αντικείμενο σε έναν απότομο λόφο, με ένα βέλος που δείχνει οριζόντια προς τα αριστερά προς το αντικείμενο, υποδεικνύοντας την κατεύθυνση της δύναμης που χρησιμοποιείται για να μετακινηθεί το αντικείμενο προς τα πάνω στο κεκλιμένο επίπεδο. Σχέδιο ενός ατόμου που στέκεται δίπλα σε μια ζυγαριά που πιέζει προς τα κάτω στην αριστερή πλευρά. Στη δεξιά πλευρά βρίσκεται ένα αμόνι. Ένα βέλος που δείχνει προς τα κάτω στο σημείο που πατάει το άτομο υποδεικνύει την κατεύθυνση της δύναμης που απαιτείται για την εξισορρόπηση του μοχλού της ζυγαριάς. Σχέδιο ενός στρογγυλού τροχού στο άκρο ενός μακριού άξονα που μοιάζει με πείρο, με βέλη να τυλίγονται γύρω από τον άξονα και τον τροχό, υποδεικνύοντας την κατεύθυνση κίνησης και των δύο. Δύο μπλε γρανάζια εμφανίζονται δίπλα-δίπλα, με ένα τμήμα των δοντιών να είναι εμπλεκόμενο, υποδεικνύοντας πώς η περιστροφή του ενός γραναζιού θα κινήσει το άλλο.

Τι είναι η Δύναμη;

Η δύναμη είναι μια ώθηση ή έλξη σε ένα αντικείμενο. Όταν ασκείται δύναμη σε ένα αντικείμενο και αυτή η δύναμη δεν αντιτίθεται, αλλάζει την ταχύτητα ή την κατεύθυνση του αντικειμένου. Η δύναμη χρησιμοποιείται για να κινήσουμε πράγματα γύρω μας. Σε αυτήν την ενότητα θα εργαστούμε με διάφορες μορφές δύναμης, συμπεριλαμβανομένης της εφαρμοζόμενης δύναμης, των ισορροπημένων και των μη ισορροπημένων δυνάμεων.

Εφαρμοσμένη Δύναμη

Μια εφαρμοζόμενη δύναμη αναφέρεται σε μια δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο. Αν σπρώχνατε την καρέκλα σας στην άλλη άκρη του δωματίου, τότε θα ασκούσατε δύναμη πάνω της.

Υπάρχουν ισορροπημένες αλλά και μη ισορροπημένες δυνάμεις. Οι δυνάμεις που έχουν ίσες αλλά αντίθετες κατευθύνσεις ονομάζονται ισορροπημένες δυνάμεις. Οι ισορροπημένες δυνάμεις δεν προκαλούν την κίνηση ενός αντικειμένου.

Ένα σχέδιο έχει 3 μεγάλα τετράγωνα κουτάκια στο κέντρο. Στα δεξιά, ένα παιδί σπρώχνει ένα επιπλέον κουτί προς τη στοίβα. Στα δεξιά, ένα παιδί έχει ένα σχοινί δεμένο σε μια λαβή σε ένα από τα κουτιά της στοίβας και τραβάει το κουτί.

Ισορροπημένες και μη ισορροπημένες δυνάμεις

Οι δυνάμεις που έχουν ίσες αλλά αντίθετες κατευθύνσεις ονομάζονται ισορροπημένες δυνάμεις. Οι ισορροπημένες δυνάμεις δεν προκαλούν την κίνηση ενός αντικειμένου. Ένα παράδειγμα ισορροπημένης δύναμης θα ήταν δύο ομάδες ανθρώπων που παίζουν διελκυστίνδα με την ίδια ποσότητα δύναμης. Αυτό θα προκαλούσε την παραμονή του σχοινιού στη θέση του, καθώς οι αντίθετες δυνάμεις που ασκούνται και στις δύο πλευρές είναι ισοδύναμες.

Ένα σχέδιο με μια κόκκινη ομάδα τριών ατόμων στα αριστερά και μια μπλε ομάδα τριών ατόμων στα δεξιά που παίζουν ένα παιχνίδι διελκυστίνδας, τραβώντας ένα σχοινί για να προσπαθήσουν να μετακινήσουν τη μία πλευρά πέρα ​​από την κεντρική γραμμή.

Ωστόσο, οι δυνάμεις που δεν είναι ισορροπημένες θα προκαλέσουν την κίνηση ενός ή περισσότερων αντικειμένων. Ας υποθέσουμε ότι μία από τις ομάδες στο διελκυστίνδα μας τραβάει πιο δυνατά από την άλλη ομάδα, οι δυνάμεις δεν θα είναι πλέον ίσες. Η μία ομάδα θα μπορούσε να τραβήξει την άλλη ομάδα προς την κατεύθυνση της μεγαλύτερης δύναμης.

Οι μη ισορροπημένες δυνάμεις προκαλούν αλλαγή στην κίνηση του αντικειμένου στο οποίο ασκείται η δύναμη. Απλές μηχανές όπως το κεκλιμένο επίπεδο, χρησιμοποιούν μια μη ισορροπημένη δύναμη για να διευκολύνουν την εργασία. Για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι τα αντικείμενα επιταχύνονται κατά μήκος του κεκλιμένου επιπέδου, λόγω μιας ανισορροπίας στη δύναμη της βαρύτητας.

Βαρυτική Δύναμη

Η δύναμη της βαρύτητας είναι η δύναμη με την οποία η Γη, η Σελήνη ή άλλο τεράστιο αντικείμενο έλκει ένα άλλο αντικείμενο προς το μέρος του. Εξ ορισμού, αυτό είναι το βάρος του αντικειμένου. Όλα τα αντικείμενα στη Γη δέχονται μια δύναμη βαρύτητας που κατευθύνεται «προς τα κάτω» προς το κέντρο της Γης.

Ένα σχέδιο της Γης βρίσκεται στο κέντρο, με δύο ομόκεντρους δακτυλίους γύρω του. Στο πάνω και στο κάτω μέρος της εικόνας στέκονται δύο παιδιά, ένα σε κάθε στύλο. Υπάρχουν τέσσερα κόκκινα βέλη που δείχνουν προς τη Γη από τις τέσσερις γωνίες, υποδεικνύοντας τη δύναμη της βαρύτητας.

Τι είναι η Εργασία;

Στην επιστήμη, έργο είναι η χρήση δύναμης για να μετακινηθεί ένα αντικείμενο από ένα σταθερό σημείο εκκίνησης. Οι απλές μηχανές κάνουν την εργασία (τη μετακίνηση αντικειμένων) ευκολότερη.

Ο επιστημονικός ορισμός του έργου είναι η ποσότητα δύναμης που ασκείται σε ένα αντικείμενο πολλαπλασιασμένη με την απόσταση που κινείται το αντικείμενο. Έτσι, το έργο αποτελείται από δύναμη και απόσταση. Κάθε εργασία απαιτεί μια συγκεκριμένη ποσότητα εργασίας για να ολοκληρωθεί και αυτός ο αριθμός δεν αλλάζει. Έτσι, το γινόμενο της δύναμης επί την απόσταση ισούται πάντα με το ίδιο έργο. Αυτό σημαίνει ότι αν μετακινήσετε κάτι σε μικρότερη απόσταση, πρέπει να ασκήσετε μεγαλύτερη δύναμη. Από την άλλη πλευρά, αν θέλετε να ασκήσετε λιγότερη δύναμη, πρέπει να το μετακινήσετε σε μεγαλύτερη απόσταση. Αυτή είναι η ανταλλαγή δύναμης και απόστασης.

Εμφανίζονται τρεις καταστάσεις δίπλα-δίπλα με ένα αυτοκίνητο σε κεκλιμένη ράμπα που ανεβαίνει σε υπερυψωμένη επιφάνεια. Στα αριστερά, η ράμπα έχει γωνία 30 μοιρών και ένας πράσινος δείκτης γωνίας μεταξύ της ράμπας και του εδάφους υποδεικνύει τον βαθμό κλίσης. Στο κέντρο, η ράμπα βρίσκεται στις 45 μοίρες, όπως υποδεικνύεται με την πράσινη ένδειξη γωνίας, και το αυτοκίνητο βρίσκεται σε πιο απότομη γωνία. Στα δεξιά, η ράμπα βρίσκεται στις 60 μοίρες, όπως φαίνεται με έναν πράσινο δείκτη γωνίας, και το αυτοκίνητο βρίσκεται στην πιο απότομη γωνία.

Τι είναι το Μηχανικό Πλεονέκτημα;

Μηχανικό Πλεονέκτημα είναι όταν χρειάζεστε λιγότερη δύναμη για να κάνετε την ίδια ποσότητα έργου επειδή χρησιμοποιείται μια απλή μηχανή για να αυξήσει και να αλλάξει την κατεύθυνση της εφαρμοζόμενης δύναμης. Το μηχανικό πλεονέκτημα μπορεί να προσαρμοστεί για να καλύψει συγκεκριμένες ανάγκες. Δύο τύποι μηχανικού πλεονεκτήματος είναι η ταχύτητα και η ροπή.

Τι είναι η ροπή;

Η ροπή είναι ένα μηχανικό πλεονέκτημα που καθιστά την απόδοση ενός κινούμενου γραναζιού ή μηχανής πιο ισχυρή. Η ροπή δημιουργείται εάν χρησιμοποιηθεί μια δύναμη για να ξεκινήσει ή να σταματήσει η περιστροφή ενός αντικειμένου, όπως συμβαίνει με την περιστροφή των γραναζιών και με τη μερική περιστροφή ενός μοχλού. Παρακολουθήστε την παρακάτω κινούμενη εικόνα για να δείτε ένα μικρότερο γρανάζι να κινεί ένα μεγαλύτερο γρανάζι για να λειτουργήσει για μεγαλύτερη ροπή.

Τι είναι η Ταχύτητα;

Η ταχύτητα είναι η απόσταση που κινείται ένα αντικείμενο με την πάροδο του χρόνου και αποτελεί ένα μηχανικό πλεονέκτημα που καθιστά την απόδοση του κινούμενου γραναζιού ή της μηχανής ταχύτερη. Όσον αφορά τα γρανάζια, η ταχύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη ροπή. Εάν η ταχύτητα εξόδου είναι επιθυμητή, τότε η ροπή πρέπει να μειωθεί. Ισχύει και το αντίστροφο. Εάν επιθυμείται περισσότερη ροπή ή ισχύς ως έξοδος, τότε η ταχύτητα θα μειωθεί. Παρακολουθήστε την παρακάτω κινούμενη εικόνα για να δείτε ένα μεγαλύτερο γρανάζι να κινεί ένα μικρότερο γρανάζι για να λειτουργεί για μεγαλύτερη ταχύτητα.

< Πίσω Επιστροφή στα Εργαστήρια Επόμενο >