Kimozdíthatná-e a földet a helyéről egyetlen ember ereje?
Az egyszerű gépek
Ma már köztudomású, hogy mennyire megkönnyíti az ember életét a gép, fokozza
a termelést, emeli a jólétet. Sőt arról is beszéltünk már, hogy a gépeket általában
két nagy csoportba osztjuk.
A gőzgép, a robbanómotor erőgépek, mert az erőt szolgáltatják a hasznos munkát
végző gépek, a munkagépek hajtására. Ily hasznos munkát végző gép például a
varrógép, a mosógép, a gépkocsi, a lift.
Aligha vállalkoznánk gőzgép
vagy varrógép készítésére. Szerkezetük nem éppen egyszerű. Elkészítésükhöz annyi
elméleti és gyakorlati tudás szükséges, hogy méltán lesz világhírű egy-egy új
erőgép vagy munkagép
feltalálója.
De talán tudnánk olyan gépet említeni, aminek elkészítéséhez sem tudás, sem
ügyesség nem szükséges és a négyéves gyermek is elkészítheti, sőt használni
is tudja. Melyik ez a gép? A legegyszerűbb gép egy letört faágacska vagy egy
bot.
Egy bot gép?
Igen! A bot gép. Hiszen
olyan munkát tudunk vele elvégezni, ami bot nélkül nehéz lenne. - Például a
bottal könnyű leverni a magasan csüngő almát, vagy könnyű vele előkotorni a
szekrény alá gurult gombot.
A gomb előkotorásához, az alma leveréséhez munkavégzés szükséges. Íme ezt a
munkát a bot segítségével végeztük el!
A bot tehát gép! Olyan gép, amely a mi erőnket, izmaink munkavégző képességét
közvetíti a szekrény alá, a fa tetejére.
A bot átviszi az erőt az egyik helyről a másikra. Tudományosan úgy mondjuk,
hogy átviszi az erő támadáspontját a célunknak megfelelő helyre!
Most már világos, hogy a bot és a seprűnyél is gép, mégpedig roppant fontos
erőátviteli gép.
Nézzük csak meg a mozdonyt. Első pillanatra feltűnik az a fémrúd, a hajtórúd,
amely a gőzhengertől a mozdony kerekéig nyúlik és azt forgatja. Az első keréktől
egy másik fémrúd közvetíti a többi kerékhez a gőz által mozgatott dugattyú erejét.
De ez az egyszerű, fából vagy fémből készült rúd még többet is tud annál, hogy
csak egyszerűen az erő közvetítésére szolgáljon. Ott van egy nehéz szekrény,
amit fel kell emelni. Alája dugjuk a rudat és megemeljük. A rudat most mint
emelőt alkalmaztuk.
A rúd most is egyszerűen csak erőnket közvetítette-e, mint az előbbi esetben,
amikor a gombot kotortuk elő vele a szekrény alól, vagy most valami más szerepe
is volt?
Igen! Amikor a gombot piszkáltuk, akkor csak akkora erővel
mozgott a rúd vége, amekkora erővel
mi mozgattuk a rudat. De most, amikor a szekrényt emeljük vele, akkor a rúd
a szekrényt nem akkora erővel
emeli, mint amekkora erőt
mi kifejtünk, hanem sokkal nagyobb erővel!
(ábra)
Például ha egy 2 méter hosszú rúdnak a 20-ad része (10 cm) van a szekrény alatt
és mi emeljük a rúd végét, akkor a rúd 20-szor nagyobb erővel
emeli a szekrény szélét, - Tegyük fel, hogy mi 10 kilogramm erővel
emeljük a rúd végét, akkor a rúd 20 . 10 kgs, azaz 2 métermázsa
erővel emeli a szekrényt!
A rúd erősokszorozó gép. Az erő támadáspontját is oda vihetjük vele, ahol munkát akarunk végezni
És mindez semmibe sem kerül! A rúd segítségével megsokszorozhatjuk erőnket! A rúd erősokszorozó gép! Valóban remek eszköz a rúd. Nemcsak az erő támadáspontját vihetem el vele oda, ahol munkát akarok végezni, hanem még az erőmet is megsokszorozhatom vele, ha mint emelőt használom!
Megváltoztatjuk az erő irányát
De az erőátvitelen,
az erősokszorozáson kívül
még más célra is fel lehet a rudat mint gépet
használni.
Súlyos hordót akarunk kocsira tenni. Megszakadnánk, ha csak úgy fel akarnánk
emelni. Mit teszünk ilyenkor? Több rudat támasztunk a kocsi oldalának, lejtőt
készítünk. Ezen a lejtőn
kisebb erővel felgördíthetjük
a hordót a kocsira. Nem kell emelni a hordót, csupán a lejtő
irányában nyomni. Például ha a hordót 1 méter magasra akarjuk emelni a 3 méter
hosszú lejtőn, akkor
3-szor kisebb erőt kell
kifejtenünk, mint a hordó súlya (ábra).
Íme, az egyszerű rúddal nemcsak az erő
támadáspontját tudjuk áthelyezni, nemcsak az erő
nagyságát tudjuk megváltoztatni, hanem - ha azt a rudat lejtőként
használjuk - akkor az erő
irányát is megváltoztathatjuk. Ferde irányban, a lejtő
hossza irányában fejtjük ki az erőt
és közben függőleges irányban is elmozdul a hordó.
Ezen a lejtőn 60 kgsúly erővel tolhatjuk fel a 180 kg súlyú hordót
Sokszor
láttunk építkezéseken a magasban egy csigát.
A csigán átvetett kötél
egyik végére akasztják a malteros vödröt. A kötél másik végét húzza a munkás.
Mondjuk meg, mit érünk el ezzel az egyszerű szerkezettel?
A munkás lefelé húzza a kötelet, a vödör vagy másféle teher pedig felfelé emelkedik.
Tehát ez a gép, az állócsiga,
megváltoztatja az erő
irányát.
Az állócsiga nem sokszorozza meg az erőt, Csupán az erő irányát változtatja meg
Másodszor pedig a kötél mindig a teherhez viszi a munkás erejét. A kötél a
teherhez közvetíti a munkás erejének támadáspontját.
Mi a szerepe az állócsigának ebben az összeállításban? Amint az ábrán
látjuk, az állócsiga tulajdonképpen egy (egyenlőkarú) emelő, amelyet folytonosan
lehet működtetni. De mivel az állócsiga egyenlőkarú emelőnek tekinthető, azért
nem sokszorozza meg az erőt,
csupán az erő irányának
alkalmas megváltoztatására szolgál.
A kerekes kút, a hengerkerék azonban már erőt is sokszoroz. Miközben a nagy kereket forgatjuk, kezünk ereje mindig más-más irányban hat a nagy kerék kerületén, de a vödör mégis mindig egy irányban halad: felfelé emelkedik. - Ha a nagy kerék átmérője 10-szer akkora, mint a henger átmérője, akkor például a 20 kg súlyú vizesvödör emeléséhez 10-szer kisebb erő, 2 kgsúly erő elegendő.
A hengerkerék nemcsak megsokszorozza az erőt, hanem megváltoztatja az erő
irányát és támadáspontját is
A kerekes kút, a hengerkerék is erősokszorozó gép, de megváltoztatja az erő
irányát és támadáspontját is.
Gondoljunk a szőlőpréselő gépre, általában a csavarral dolgozó présre. A csavarmenet olyan kiképzésű, mint egy lejtő. Legyen a prés forgatókarja 1 m hosszú, egy csavarmenet magassága pedig 1 cm.
Ha a munkás a prés karját egyszer körülforgatja, 628 cm hosszú úton át fejt ki erőt. De közben a csavar vége csak 1 cm-rel megy tovább.
Elgörbült vasgerendák kiegyenesítésére szolgáló csavar. Kézi erővel több ezer kilogrammos erőt fejthetünk ki vele
Tegyük fel, hogy a munkás 10 kg erővel
húzza a prés karjának végét, akkor a csavar vége 628 . 10 kgsúly = 6280 kilogrammsúly
erővel nyomul előre.
A csavar is erősokszorozó
gép. Könnyű a csavarral
sok ezerszeresre fokozni izomerőnket.
Lehetetlen puszta kézzel széthasítani egy fatönköt. De fejszével vagy más ékkel
könnyű! Hiába próbálunk egy vastagabb drótot kézierővel
szétszakítani. De könnyen sikerül csípőfogóval, ami tulajdonképpen emelő, a
vágóéle pedig lejtő.
Kis erővel bármilyen
nagy erőt lehet kifejteni
az olyan egyszerű géppel,
mint az emelő, a hengerkerék, a lejtőre visszavezethető csavar és az ék?
Igen! Bármilyen nagy erőt
kifejthetünk, ha a súrlódást
figyelmen kívül hagyjuk. Egy kilogrammsúly erővel
kifejthetünk egy millió kilogrammsúly erőt
is ingyen, ez az erősokszorozás
semmibe sem kerül!
A kedves feltalálók ne örüljenek
Az erő megsokszorozása
nem jelent pénzt! Ezt úgy kell érteni, hogy az erő
önmagában nem érték!
Egy oszlop tetejére rárakhatunk sok ezer kilogrammos súlyt. Íme, ott van az
erő, a sok ezer kilogramm,
ami nyomja az oszlopot. De mit ér ez az erő?
Semmit! Egymagában alig vesszük hasznát. Ez az erő
csak akkor jelentene értéket, ha munkát
végezne. Például ha 1 méterre lefelé nyomná az oszlopot, vagy ha az oszlop nyomná
1 méterrel felfelé annak az erőnek
támadási felületét. Ami érték, ami pénzt jelent, az a munkavégzés!
A munkavégzésért fizetünk,
nem az erőért.
Íme, itt az izgalmas kérdés: ha egyszerű gépet
alkalmazunk, akkor lehet-e munkavégzésünket
is megsokszorozni?
Egyszerű példa nyomán próbáljunk erre a nagyon fontos kérdésre magunk megfelelni:
100 kg súlyú hordót 1 méter magas kocsira kell feltenni. Hogyan végzi el ezt
a munkát egy súlyemelő bajnok és hogyan egy gyenge nő?
A súlyemelő bajnok megragadja a hordót, felemeli 1 méter magasra és a kocsira
teszi. Mekkora munkát
végzett? Mivel 100 kilogramm súlyerőt 1 méter úton át győzött le, a végzett
munka 100 méterkilogrammsúly.
Mit tesz a gyenge nő?
Lejtőt fektet a kocsi oldalához. Tegyük fel, hogy 10 méter hosszú lejtőt támaszt
az 1 méter magas kocsihoz. Ekkor azt a 100 kilogramm súlyú hordót 10-szer kisebb
erővel tolhatja a lejtő
irányába, ez könnyen megy.
Mekkora lesz a munka
most?
A nő 10 kgsúly erőt fejt
ki 10 méter hosszú úton. A végzett munka
az erő és az erő
irányába eső út szorzata, vagyis 10 kilogrammsúlyszor 10 méter, annyi mint 100
méterkilogrammsúly.
Most is el kellett végezni a hordó felemeléséhez szükséges 100 méterkilogrammsúly
munkát. Igaz ugyan,
hogy a nő 10-szer kisebb erőkifejtéssel
dolgozott, de 10-szer hosszabb úton kellett kifejtenie az erőt,
ezért a munka nagysága
változatlan maradt.
Most már világos előttünk az egyszerű gépek
szerepe. Ezeknek az egyszerű szerkezeteknek a segítségével egészen kicsiny erővel
lehet bármilyen nagy erőt
ellensúlyozni, Sőt legyőzni. - De a végzett munkában
nem nyerünk semmit! A végzett munka
nagysága ugyanakkora marad, akár közvetlenül végezzük el, akár egyszerű vagy
egyéb, ravasz összeállítású gép
segítségével. A munka
nagyságát semmiféle mesterkedéssel sem lehet csökkenteni.
Ezért például mindegy, ha egy sziklacsúcsra kötélen húzom fel magamat roppant
erőkifejtéssel - vagy
csekély lejtésű szerpentinúton sétálok fel lassan, kényelmesen. A hosszú úton
kisebb erővel ugyanakkora
munkát kell végeznem,
mint a rövid úton óriási erőkifejtéssel.
Foglaljuk össze az elmondottakat.
Egyszerű gépnek
nevezünk minden olyan szerkezetet, amelynek segítségével meg lehet változtatni
az erő támadáspontját,
nagyságát és irányát.
Az egyszerű gépek működését
vissza lehet vezetni az emelőre
és a lejtőre.
A gépekkel bármilyen nagy erőt tetszés szerinti kis erővel győzhetünk le. De ahányszor kisebb az erő, annyiszor hosszabb úton kell kifejtenünk, ezért munkában semmit sem nyerünk.
Az összetett gépek működését az egyszerű gépekre vezethetjük vissza. Például a légcsavar tulajdonképpen lejtő. A varrógépben, az órában sokféle emelőszerkezetet találunk.
Mit szólnak Archimédesz
ókori bölcs jólismert, híres mondásához:
"Adjatok nekem egy szilárd pontot a Földön kívül, és erősokszorozó gépemmel
kiemelem a Földet sarkaiból !"
Semmiféle gépre, semmiféle
csigasorra sincs szükségünk
ahhoz, hogy a Földet
kiemeljük sarkaiból. Hiszen a Földnek
nincs súlya. De Archimédesz
ezt még nem tudhatta.
Ennek a mondásnak ma már csak szép jelképes értelme van. Különben, ha megkapnánk
azt a szilárd pontot, ahol megvethetnénk egyik lábunkat, a másikkal csak meg
kellene taszítanunk a Földet,
és máris kimozdulna sarkaiból.
Sőt még arra a szilárd pontra sincs szükségünk, hiszen minden ugrásunkkor, minden
lépésünkkor "kimozdul a Föld
sarkaiból" - legalábbis elméletileg és pillanatnyilag - a hatás-ellenhatás
törvénye értelmében.