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这六大简单机械让我们生活更轻松

  纵观历史,聪明的人类已经发明了许许多多的工具,使得我们在许多工作上能变得更加轻松。

  其中最著名的就是“六大简单机械”:轮轴,杠杆,斜面,滑轮,螺旋还有楔子,尽管后三者是前三者的扩展、组合,但这并不妨碍它们“六大简单机械”的其中三个。

  车轮是世界历史上最重要的发明之一。Natalie Wolchover曾写道:在公元前3500年车轮被发明之前,由于条件限制,人们能运送货物量的能力有限,运送距离也非常有限。轮式推车运输货物可以实现货物较快地往返市场,从而减轻了人们远距离跋涉的负担,促进了农业和商业的发展。

  当物体在表面上移动时,轮子大大减少了摩擦。 “如果你把你的文件柜放在一个带有轮子的小推车上,你只需要很小的力,就可以让它较快地移动。”来自田纳西大学的Charlie Samuels说道。

  “给我一个支点,我就能撬动地球。”这句夸张的名句来自阿基米德,他是公元三世纪的希腊哲学家、数学家和发明家。虽然这句话可能有些夸张,但是它形象地用能撬动地球的比喻来体现了杠杆的力量。

  阿基米德的天才之处在于他认识到,使用杠杆可以在力量和距离之间做出权衡从而完成相同的功。根据纽约大学的Chris Rorres撰写的虚拟电子书《21世纪的阿基米德》里所言,他的“杠杆原理”指出,“力与距离之间是反比关系”。

  杠杆由一根长轴和一个支点或枢轴组成。杠杆的机械优势取决于支点两侧轴的长度比例。

  斜面其实就是一个平坦的表面,但这个表面与地平面之间存在着一定的角度,就像一个斜坡一样。俄亥俄州立大学工程与技术学院机械工程系教授Bob Williams说道:“斜面是一种举起重物的巧妙方法,借助斜面我们可以举起一些不能竖直举起的重物。角度(倾斜平面与地面的角度)的大小决定了你需要用多少力来提升重物。”例如,如果我们要将100磅重的物体提升2英尺,如果我们使用4英尺长的斜面,我们所需的力将减少一半,只是移动的距离将翻倍;如果我们使用8英尺长的斜面,此时需要的力将减少到四分之一。

  举起100磅的重物我们也可以使用滑轮,我们可以在横梁上设计一个滑轮,用绳子穿过滑轮,并与重物绑在一起,此时我们改变的是力的方向,不改变力的大小——我们可以向下拉绳子而不是艰难的向上用力举重物。如果我们使用两个滑轮,一个安装在横梁上,一个与重物连接,也就是说,将绳子的一端穿过上面的滑轮与重物连接,再穿过一个滑轮,此时我们向上用力将变得比较轻松,只是原来的一半,而移动的距离将翻倍。我们再一次地做到了“省力费距离”。

  根据HyperPhysics在佐治亚州立大学网站的说法:“螺旋实际上是一个长的倾斜平面包裹在一个轴上,因此它的机械优势是以斜面的方式进行嵌入。” 许多设备使用螺丝来施加力量,一般情况下,你想要施加于物体的力量,是远大于你拧动螺丝的力量的,像汽车车轮上的台虎钳和挂耳螺母,它们不仅获得了螺丝本身的机械优势,而且在很多情况下还得益于使用长柄的杠杆作用来转动螺丝。

  楔子是一种简单机械工具,由两个斜面组成,用来将物件分开。原理主要是将楔子向下的力量转化成对物件水平的力量。短小而阔角度的楔子能较快分开物件,常见使用楔子的工具包括斧头及钉子等。例如,我们想切割一根木头,我们可以先放一个楔子在木头上,然后用一把锤子敲击它,这时候力的方向会发生改变:纵向的力量变成横向的力量,这样木头就比较容易断开。另一个例子是一个门挡,用来将推动门边缘下方的力量向下传递,此时就会有摩擦力产生,从而阻止门在地板上滑动。

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