Inafasiriwa moja kwa moja kutoka kwa Wikipedia ya Kiingereza na Tafsiri ya Google

Rahisi mashine

Jedwali la mifumo rahisi, kutoka kwa Chambers 'Cyclopædia , 1728. [1] Mashine rahisi hutoa msamiati wa kuelewa mashine ngumu zaidi.

Mashine rahisi ni kifaa cha mitambo ambacho kinabadili mwelekeo au ukubwa wa nguvu . [2] Kwa ujumla, wanaweza kuelezwa kama njia rahisi ya kwamba matumizi ya faida mitambo (pia huitwa kujiinua ) kwa kuzidisha nguvu. [3] Kawaida neno hilo linamaanisha mitambo sita ya kawaida iliyoelezwa na wanasayansi wa Renaissance : [4]

Mashine rahisi inatumia nguvu moja kutumika kufanya kazi dhidi ya nguvu moja mzigo. Kupuuza kupoteza msuguano , kazi iliyofanyika kwenye mzigo ni sawa na kazi iliyofanywa na nguvu iliyowekwa. Mashine inaweza kuongeza kiasi cha nguvu ya pato, kwa gharama ya kupungua kwa kawaida katika umbali unaosababishwa na mzigo. Uwiano wa pato kwa nguvu inayotumiwa inaitwa faida ya mitambo .

Mashine rahisi inaweza kuonekana kama msingi "matofali ya ujenzi" ambayo kila ngumu zaidi mashine (wakati mwingine "kiwanja mashine" [5] [6] ) ni linajumuisha. [3] [7] Kwa mfano, magurudumu, levers, na vidonda vyote vinatumiwa katika utaratibu wa baiskeli . [8] [9] Faida ya mitambo ya mashine ya kiwanja ni tu bidhaa ya faida ya mitambo ya mashine rahisi ambayo inajumuisha.

Ingawa wanaendelea kuwa na umuhimu mkubwa katika mitambo na kutumia sayansi, mitambo ya kisasa imehamia zaidi ya mtazamo wa mashine rahisi kama vitengo vya mwisho vya ujenzi ambazo mashine zote zinajumuisha, ambayo iliondoka katika Renaissance kama upanuzi wa neoclassical wa maandishi ya Kigiriki ya kale . Aina kubwa na kisasa cha kuunganisha mashine za kisasa, ambazo zimeondoka wakati wa Mapinduzi ya Viwanda , hazielezeki kwa makini na makundi haya sita rahisi. Waandishi wengi wa baada ya Renaissance wameandaa orodha iliyopanuliwa ya "mashine rahisi", mara nyingi hutumia maneno kama mashine za msingi , [8] mashine za kiwanja , [5] au vipengele vya mashine ili kuwatenganisha kutoka kwenye mashine rahisi ya juu ya juu. Mwishoni mwa miaka ya 1800, Franz Reuleaux [10] alikuwa ametambua mamia ya vipengele vya mashine, akiwaita mashine rahisi . [11] Nadharia ya kisasa ya mashine inachambua mashine kama minyororo ya kinematic iliyojumuisha uhusiano wa msingi unaoitwa jozi za kinamu .

Yaliyomo

Historia

Wazo la mashine rahisi imetoka na mwanafalsafa wa Kigiriki Archimedes kote karne ya 3 KK, ambaye alisoma mashine rahisi ya Archimedean: lever, pulley, na screw . [3] [12] Aligundua kanuni ya faida ya mitambo katika lever. [13] Hotuba maarufu ya Archimedes kuhusiana na lever: "Nipeni mahali pa kusimama, nami nitasonga dunia." ( Kigiriki : δῶς μοι πιστα και τον κινάσω ) [14] anaonyesha ufahamu wake kwamba hakuna kikomo kwa kiasi cha nguvu amplification ambayo inaweza kupatikana kwa kutumia faida mechanical. Baadaye Wanafalsafa wa Kigiriki walifafanua mitambo mitano rahisi (isiyojumuisha ndege iliyopangwa ) na waliweza kuhesabu faida yao ya mitambo. [6] Kwa mfano, Heron wa Alexandria (karne 10-75 AD) katika kazi yake Mitambo inaorodhesha njia tano ambazo zinaweza "kuweka mzigo mwendo"; lever , windlass , pulley , wedge , na screw , [12] na inaeleza utengenezaji na matumizi yao. [15] Hata hivyo ufahamu wa Wagiriki ulikuwa mdogo kwa statics ya mashine rahisi (usawa wa majeshi), na haukujumuisha mienendo , tradeoff kati ya nguvu na umbali, au dhana ya kazi .

Wakati wa Renaissance mienendo ya Nguvu za Mitambo , kama mashine rahisi ziliitwa, ilianza kujifunza kwa mtazamo wa jinsi gani wanaweza kuinua mzigo, kwa kuongeza nguvu ambazo zinaweza kuomba, na kusababisha hatimaye kwa dhana mpya ya mitambo kazi . Mnamo mwaka wa 1586 Mhandisi wa Flemish Simon Stevin alipata faida ya mitambo ya ndege iliyopangwa, na ilijumuishwa na mashine nyingine rahisi. Nadharia kamili ya mashine rahisi ilifanyika na mwanasayansi wa Kiitaliano Galileo Galilei mnamo 1600 katika Le Meccaniche ( kwenye Mitambo ), ambako alionyesha msingi sawa wa hisabati wa mashine kama amplifiers nguvu. [16] [17] Alikuwa wa kwanza kuelewa kwamba mashine rahisi hazijenga nishati , tu kuzibadilisha. [16]

Sheria za kawaida za msuguano wa sliding kwenye mashine ziligunduliwa na Leonardo da Vinci (1452-1519), lakini zilikuwa hazichapishwa na zimeandikwa tu katika vitabu vyake, na zilizingatia sayansi ya awali ya Newtonian kama vile msuguano wa kuaminika ulikuwa ni maji ya ethereal . Walipatikana tena na Guillaume Amontons (1699) na waliendelezwa zaidi na Charles-Augustin de Coulomb (1785). [18]

Rahisi mashine rahisi

Ikiwa mashine rahisi haifai nishati kupitia msuguano, kuvaa au kutengeneza, basi nishati huhifadhiwa na inaitwa mashine rahisi. Katika kesi hiyo, nguvu ndani ya mashine ina sawa na nguvu, na faida ya mitambo inaweza kuhesabiwa kutoka kwa vipimo vya kijiometri.

Ingawa kila mashine inafanya kazi tofauti kwa njia ya utaratibu, njia wanayofanya nayo ni sawa na hisabati. [19] Katika kila mashine, nguvu hutumiwa kwa kifaa wakati mmoja, na hufanya kazi kusonga mzigo, kwa hatua nyingine. [20] Ingawa mashine fulani zinabadili tu mwelekeo wa nguvu, kama vile pulley ya stationary, mashine nyingi zinazidisha ukubwa wa nguvu kwa sababu, faida ya mitambo

ambayo inaweza kuhesabiwa kutoka jiometri ya mashine na msuguano.

Mashine rahisi hazina chanzo cha nishati , [21] hivyo hawawezi kufanya kazi zaidi kuliko wanayopokea kutokana na nguvu ya kuingiza. [20] Mashine rahisi isiyo na msuguano au elasticity inaitwa mashine bora . [22] [23] [24] Kutokana na uhifadhi wa nishati , katika mashine rahisi sana, pato la nguvu (kiwango cha pato la nishati) wakati wowote ni sawa na pembejeo ya nguvu

Pato la nguvu linalingana na kasi ya mzigo imeongezeka kwa nguvu ya mzigo . Vilevile nguvu ya pembejeo kutoka kwa nguvu inayotumika ni sawa na kasi ya hatua ya pembejeo imeongezeka kwa nguvu iliyotumiwa . Kwa hiyo,

Hivyo faida ya mitambo ya mashine bora ni sawa na uwiano wa kasi , uwiano wa kasi ya pembejeo kwa kasi ya pato

Wakati kasi ni mara kwa mara ni sawa na umbali unaofunikwa kwa kipindi fulani cha wakati. Katika kesi hiyo, uwiano wa kasi pia ni sawa na uwiano wa umbali uliofunikwa katika kipindi hiki cha wakati, yaani

Kwa hiyo faida ya mitambo ya mashine bora inayohamia kwa kasi ya mara kwa mara pia ni sawa na uwiano wa umbali , uwiano wa umbali wa pembejeo ulihamia hadi umbali wa pato ulihamia

Hii inaweza kuhesabiwa kutoka jiometri ya mashine. Kwa mfano, faida ya mitambo na uwiano wa umbali wa lever ni sawa na uwiano wa silaha za lever .

Faida ya mitambo inaweza kuwa kubwa au chini ya moja:

  • Kama nguvu ya pato ni kubwa zaidi kuliko pembejeo, mashine hufanya kama amplifier nguvu, lakini umbali unaongozwa na mzigo ni chini ya umbali unaongozwa na nguvu ya pembejeo .
  • Kama nguvu ya pato ni chini ya pembejeo, lakini umbali unaosababishwa na mzigo ni mkubwa zaidi kuliko umbali unaosababishwa na nguvu ya pembejeo.

Katika screw , ambayo hutumia mwendo wa mzunguko, nguvu ya pembejeo inapaswa kubadilishwa na torque , na kasi kwa kasi ya angular shimoni hugeuka.

Msuguano na ufanisi

Mitambo yote halisi ina msuguano, ambayo husababisha baadhi ya nguvu za pembejeo kuachwa kama joto. Kama ni nguvu iliyopoteza msuguano, kutoka kwa uhifadhi wa nishati

Ufanisi wa mitambo ya mashine ni nambari kati ya 0 na 1 iliyofafanuliwa kama uwiano wa nguvu nje ya nguvu, na ni kipimo cha hasara za nishati ya msuguano

Kama hapo juu, nguvu ni sawa na bidhaa za nguvu na kasi, hivyo

Kwa hiyo,

Hivyo katika mashine zisizo bora, faida ya mitambo daima ni chini ya uwiano wa kasi na bidhaa na ufanisi η . Hivyo mashine ambayo inajumuisha msuguano haitakuwa na mzigo mkubwa kama mashine inayofaa inayotumia kutumia nguvu sawa ya pembejeo.

Mashine ya makundi

Mashine ya makundi ni mashine inayotengenezwa kutoka seti ya mashine rahisi iliyounganishwa katika mfululizo na nguvu ya pato ya moja inayopatia nguvu ya pembejeo kwa ijayo. Kwa mfano, suala la benchi linajumuisha lever (kushughulikia visa) katika mfululizo na kijiko, na treni ya gear rahisi ina idadi ya gear ( magurudumu na axles ) iliyounganishwa katika mfululizo.

Faida ya mitambo ya mashine ya kiwanja ni uwiano wa nguvu ya pato iliyotumiwa na mashine ya mwisho katika mfululizo umegawanyika na nguvu ya pembejeo inayotumika kwa mashine ya kwanza, ambayo ni

Kwa sababu nguvu ya pato ya kila mashine ni pembejeo ya ijayo, , faida hii ya mitambo pia inapewa

Kwa hiyo, faida ya mitambo ya mashine ya kiwanja ni sawa na bidhaa ya faida ya mitambo ya mfululizo wa mashine rahisi zinazoifanya

Vile vile, ufanisi wa mashine ya kiwanja pia ni bidhaa ya ufanisi wa mfululizo wa mashine rahisi zinazounda

Mashine ya kujitegemea

Mali ya kujifungia ya kijiko ni sababu ya matumizi yake mingi katika viunganisho vilivyofungwa kama bolts na screws ya kuni

Katika mashine nyingi rahisi, ikiwa nguvu ya mzigo F nje ya mashine ni ya juu kwa kutosha kuhusiana na nguvu ya pembejeo F in , mashine itahamia nyuma, na nguvu ya mzigo kufanya kazi kwenye nguvu ya pembejeo. [25] Hivyo mashine hizi zinaweza kutumika kwa uongozi wowote, na nguvu ya kuendesha gari inatumiwa kwa hatua ya pembejeo. Kwa mfano, ikiwa mzigo una nguvu juu ya lever ni ya juu ya kutosha, lever itaondoka nyuma, na kuhamisha mkono wa pembejeo nyuma dhidi ya nguvu ya pembejeo. Hizi huitwa " reversible ", " yasiyo ya kufungia " au " kuimarisha " mashine, na mwendo wa nyuma huitwa " upasuaji ". Hata hivyo, katika mashine fulani, ikiwa nguvu za msuguano ni za kutosha, hakuna kiasi cha nguvu ya mzigo kinaweza kuifungua nyuma, hata ikiwa nguvu ya pembejeo ni sifuri. Hii inaitwa " kujitegemea ", "yasiyo ya kurekebisha ", au " yasiyo ya kukodisha " mashine. [25] Mashine hizi zinaweza tu kuhamishwa na nguvu katika pembejeo, na wakati nguvu ya pembejeo inapoondolewa itabaki imara, "imefungwa" kwa msuguano katika nafasi yoyote iliyoachwa.

Kuzuia kujitokeza hutokea hasa katika mashine hizo zilizo na maeneo makubwa ya mawasiliano ya sliding kati ya sehemu zinazohamia: kijiko , ndege iliyopangwa , na kabari :

  • Mfano wa kawaida ni screw. Katika screws wengi, kutumia torque kwenye shimoni inaweza kusababisha kugeuka, kusonga shaft linearly kufanya kazi dhidi ya mzigo, lakini hakuna kiasi cha axial mzigo nguvu dhidi ya shimoni itasababisha kurudi nyuma.
  • Katika ndege iliyopangwa, mzigo unaweza kuvutwa ndege kwa nguvu ya pembejeo ya upande, lakini kama ndege haipatikani sana na kuna msuguano wa kutosha kati ya mzigo na ndege, wakati nguvu ya pembejeo itakapoondolewa mzigo utabaki bila mwendo na si slide chini ya ndege, bila kujali uzito wake.
  • Kaburi linaweza kuingizwa ndani ya mti wa mbao kwa nguvu mwishoni, kama vile kupiga kwa nyundo ya sledge, kulazimisha pande mbali, lakini hakuna kiasi cha nguvu ya kupandamiza kutoka kwa kuta za kuni zitasababisha kupinduka kuzuia.

Mashine itakuwa imefungia kujitegemea kama na tu ikiwa ufanisi wake η ni chini ya 50%: [25]

Ikiwa mashine ni kujizuia hutegemea nguvu zote za msuguano ( mgawo wa msuguano wa tuli ) kati ya vipande vyake, na uwiano wa umbali d ndani / d nje (faida nzuri ya mitambo). Ikiwa msuguano na fursa nzuri ya mitambo ni ya kutosha, itafungua.

Ushahidi

Wakati mashine inakwenda kuelekea mbele kutoka hatua 1 hadi kumweka 2, na nguvu ya pembejeo inafanya kazi kwenye nguvu ya mzigo, kutoka kwa uhifadhi wa nishati [26] [27] kazi ya pembejeo ni sawa na jumla ya kazi iliyofanyika kwenye nguvu ya mzigo na kazi imepotea kwa msuguano

Ikiwa ufanisi ni chini ya 50%

Kutoka (1)

Wakati mashine inakwenda nyuma kutoka hatua 2 hadi kumweka 1 na nguvu ya mzigo kufanya kazi kwenye nguvu ya kuingia, kazi imepotea kwa msuguano ni sawa

Hivyo kazi ya pato ni

Kwa hiyo mashine ya kujifungua, kwa sababu kazi imeshuka katika msuguano ni kubwa zaidi kuliko kazi iliyofanywa na nguvu ya mzigo kusonga nyuma hata bila nguvu ya kuingiza

Nadharia ya kisasa ya mashine

Minyororo ya Kinematic

Mfano wa uhusiano wa nne-bar kutoka Kinematics Machinery, 1876
Mfano wa uhusiano wa bar-nne kutoka Kinematics Machinery, 1876

Mashine rahisi ni mifano ya msingi ya minyororo ya kinematic ambayo hutumiwa kutengeneza mifumo ya mitambo inayoanzia injini ya mvuke kwa manipulators ya robot. Mazao yanayotengeneza fulcrum ya lever na ambayo inaruhusu gurudumu na misuli na vifungo kugeuka ni mifano ya jozi ya kinematic inayoitwa ushirikiano wa nywele. Vile vile, uso wa gorofa ya ndege iliyopangwa na kabari ni mifano ya jozi ya kinematic inayoitwa pamoja ya kupiga sliding. Kijiko hujulikana kama jozi yake ya kinematic inayoitwa pamoja ya helical.

Vipande viwili, au vidogo, vimeunganishwa kwenye uunganishaji wa mipango minne ya bar kwa kuunganisha kiungo kinachounganisha pato la kamba moja kwa pembejeo la mwingine. Viungo vya ziada vinaweza kushikamana ili kuunda uhusiano wa bar-sita au mfululizo ili kuunda robot. [23]

Uainishaji wa mashine

Utambuzi wa mashine rahisi hutokana na tamaa ya njia ya utaratibu wa kuzalisha mashine mpya. Kwa hiyo, jambo muhimu ni jinsi mashine rahisi zinajumuisha kufanya mashine ngumu zaidi. Njia moja ni kuunganisha mashine rahisi katika mfululizo ili kupata mashine za kiwanja.

Hata hivyo, mkakati uliofanikiwa zaidi ulitambuliwa na Franz Reuleaux , ambaye alikusanya na kujifunza zaidi ya mashine 800 za msingi. Aligundua kuwa lever, pulley, na gurudumu na mchele ni kiini kifaa kimoja: mwili unaozunguka juu ya mrengo. Vile vile, ndege iliyopendekezwa, kabari, na visu ni slide ya kuzuia kwenye uso wa gorofa. [28]

Ufahamu huu unaonyesha kwamba ni viungo, au uhusiano unaojitokeza, ambayo ni vipengele vya msingi vya mashine. Kuanzia na viungo vinne, viungo vya pamoja , vilivyounganishwa pamoja , pamoja na maunganisho ya gear , na uhusiano unaohusiana na vile vile nyaya na mikanda, inawezekana kuelewa mashine kama mkusanyiko wa vipande vilivyounganisha viungo hivi. [23]

Angalia pia

  • Uunganishaji (mitambo)

Marejeleo

  1. ^ Chambers, Ephraim (1728), "Table of Mechanicks", Cyclopædia, A Useful Dictionary of Arts and Sciences , London, England, Volume 2, p. 528, Plate 11 .
  2. ^ Paul, Akshoy; Roy, Pijush; Mukherjee, Sanchayan (2005), Mechanical sciences: engineering mechanics and strength of materials , Prentice Hall of India, p. 215, ISBN 81-203-2611-3 .
  3. ^ a b c Asimov, Isaac (1988), Understanding Physics , New York, New York, USA: Barnes & Noble, p. 88, ISBN 0-88029-251-2 .
  4. ^ Anderson, William Ballantyne (1914). Physics for Technical Students: Mechanics and Heat . New York, USA: McGraw Hill. pp. 112–122 . Retrieved 2008-05-11 .
  5. ^ a b Compound machines , University of Virginia Physics Department , retrieved 2010-06-11 .
  6. ^ a b Usher, Abbott Payson (1988). A History of Mechanical Inventions . USA: Courier Dover Publications. p. 98. ISBN 0-486-25593-X .
  7. ^ Wallenstein, Andrew (June 2002). "Foundations of cognitive support: Toward abstract patterns of usefulness" . Proceedings of the 9th Annual Workshop on the Design, Specification, and Verification of Interactive Systems . Springer. p. 136 . Retrieved 2008-05-21 .
  8. ^ a b Prater, Edward L. (1994), Basic machines (PDF) , U.S. Navy Naval Education and Training Professional Development and Technology Center, NAVEDTRA 14037.
  9. ^ U.S. Navy Bureau of Naval Personnel (1971), Basic machines and how they work (PDF) , Dover Publications.
  10. ^ Reuleaux, F. (1963) [1876], The kinematics of machinery (translated and annotated by A.B.W. Kennedy) , New York, New York, USA: reprinted by Dover.
  11. ^ Cornell University , Reuleaux Collection of Mechanisms and Machines at Cornell University , Cornell University.
  12. ^ a b Chiu, Y. C. (2010), An introduction to the History of Project Management , Delft: Eburon Academic Publishers, p. 42, ISBN 90-5972-437-2
  13. ^ Ostdiek, Vern; Bord, Donald (2005). Inquiry into Physics . Thompson Brooks/Cole. p. 123. ISBN 0-534-49168-5 . Retrieved 2008-05-22 .
  14. ^ Quoted by Pappus of Alexandria in Synagoge , Book VIII
  15. ^ Strizhak, Viktor; Igor Penkov; Toivo Pappel (2004). "Evolution of design, use, and strength calculations of screw threads and threaded joints" . HMM2004 International Symposium on History of Machines and Mechanisms . Kluwer Academic publishers. p. 245. ISBN 1-4020-2203-4 . Retrieved 2008-05-21 .
  16. ^ a b Krebs, Robert E. (2004). Groundbreaking Experiments, Inventions, and Discoveries of the Middle Ages . Greenwood Publishing Group. p. 163. ISBN 0-313-32433-6 . Retrieved 2008-05-21 .
  17. ^ Stephen, Donald; Lowell Cardwell (2001). Wheels, clocks, and rockets: a history of technology . USA: W. W. Norton & Company. pp. 85–87. ISBN 0-393-32175-4 .
  18. ^ Armstrong-Hélouvry, Brian (1991). Control of machines with friction . USA: Springer. p. 10. ISBN 0-7923-9133-0 .
  19. ^ This fundamental insight was the subject of Galileo Galilei's 1600 work Le Meccaniche (On Mechanics)
  20. ^ a b Bhatnagar, V. P. (1996). A Complete Course in Certificate Physics . India: Pitambar Publishing. pp. 28–30. ISBN 8120908686 .
  21. ^ Simmons, Ron; Cindy Barden (2008). Discover! Work & Machines . USA: Milliken Publishing. p. 29. ISBN 1429109475 .
  22. ^ Gujral, I.S. (2005). Engineering Mechanics . Firewall Media. pp. 378–380. ISBN 8170086361 .
  23. ^ a b c Uicker, Jr., John J.; Pennock, Gordon R.; Shigley, Joseph E. (2003), Theory of Machines and Mechanisms (third ed.), New York: Oxford University Press, ISBN 978-0-19-515598-3
  24. ^ Paul, Burton (1979), Kinematics and Dynamics of Planar Machinery , Prentice Hall, ISBN 978-0-13-516062-6
  25. ^ a b c Gujral, I.S. (2005). Engineering Mechanics . Firewall Media. p. 382. ISBN 81-7008-636-1 .
  26. ^ Rao, S.; R. Durgaiah (2005). Engineering Mechanics . Universities Press. p. 82. ISBN 81-7371-543-2 .
  27. ^ Goyal, M. C.; G. S. Raghuvanshi (2009). Engineering Mechanics . New Delhi: PHI Learning Private Ltd. p. 202. ISBN 81-203-3789-1 .
  28. ^ Hartenberg, R.S. & J. Denavit (1964) Kinematic synthesis of linkages , New York: McGraw-Hill, online link from Cornell University .