5.1. Основни појмови и принципи

На почетку разматрања принципа функционисања машина биће речи о најпростијим машинама, које је човек користио у најстаријим временима свог постојања, а које користи и данас, било директно, било индиректно, кроз њену употребу као дела неке савремене машине...

Све машине раде на принципима природних закона, односно закона физике.

Сваки проналазак новог закона физике омугућавао је креативним људима да га примене у изградњи машина, или уређаја које је могао да користи да себи олакша рад и живот уопште. Најстарије машине, које ћемо разматрати у оквиру ове лекције, као и принципи физике на којима се заснива њихово функционисање, а које човек успешно користи вековима су:

1. полуга,

2. стрма раван,

3. клин,

4. коришћење силе трења,

5. обртни диск,

6. непомични котур, помични котур, котурача,

7. точак,

8. паскалов закон.

Полуга

Полуга је најпростија машина. Архимед је рекао:"Дајте ми довољно дугу полугу и ослонац и ја ћу рукама померити Земљу." Теоретски, ово је заиста и могуће, иако је практично неизводљиво.

Најновије теорије о градњи пирамида тврде да су камени блокови тешки неколико тона подизани полугама, подметањем мањих камења испод њих који су служили и као осланац полугама и као држач дизаног камена. Камен би се подигао помоћу осам полуга, односно четри радника са две полуге, једна у свакој руци, па би се под њу углавио камен. Затим би се камен подигао на следећу висину, па би се под њега подметнуо следећи ред камења, итд, све до подизања камена на жељену висину.

Да ли је ова теорија тачна или не није тема ове лекције. Прича о пирамидама има за циљ само једно: да ученик схвати да је полуга вероратно прва машина коју је човек пронашао и да полуга заиста и јесте машина. Проницљивији ученик ће поставити питање:"Како неки комад плота, или грана са земље, или нека одбачена цев да буде машина?" Полуга заправо то и јесте.

И одбачена цев, комад плота, дршка метле, или нека дебља грана могу послужити као полуга и постати машине. Можемо то и доказати. Трећи Њутнов закон гласи: Сила акције једнака је сили реакције.

По овом закону, свако тело у гравитационом пољу земље делује на земљино тло својом тежином која је једнака производу његове масе и гравитационог убрзања Земље. У свакој тачки коју обухвата гравитационо поље Земље свако тело имаће тежину, односно деловаће силом која директно зависи од његове масе. Правац и смер ове силе су увек исти. Правац тежине пролази кроз центар Земље а смер је у правцу центра Земље. Из овога произилази следеће: да би се неко тело подигло са Земље на њега се мора деловати силом подизања већом од његове тежине.

Но, шта ако користећи дршку за метлу (полугу) успемо да подигнемо терет користећи силу која је мања од тежине терета? Да ли ће то бити доказ да Њутн није био у праву, или да је та иста дршка за метлу повећала вредност силе коју ми можемо да остваримо? Наравно, ово друго.Дакле, све што може да нам помогне да подигнемо терет користећи силу мању од његове тежине је сасвим сигурно машина.

Пре доказивања да полуга заиста и јесте машина ученик мора да се подсети чему је једнака вредност момента силе. Момент силе је векторска величина, што значи да има правац, смер и интезитет.

Интезитет : Момент силе једнак је производу силе и крака силе. Крак силе је најкраће растојање од правца деловања силе до ослонца, или тачке за коју се рачуна момент силе.

Смер: Ови смерови момента силе су усвојени као позитивни и негативни: Смер момента силе је позитиван ако има смер кретања супротан казаљки на сату, а негативан ако је истоветан кретању казаљке на сату.

Статика је грана механике која проучава мировање. На почетку разматрања полуге поћи ћемо од услова да је све у равнотежи. Ово ћемо примењивати и за све остале случајеве.

Стрма раван

Стрма раван, као и полуга, омогућава да се терет подигне силом мањом од тежине терета. Стрма раван је доказано коришћена за постављање великих камених обелиска још за време Старог египта. Принцип подизања био је истоветан доњој слици - само замислите уместо коцкастог блока дугачак камени обелиск. Испод обелиска је подметана обловина - стабло без грана - а вучна сила је остваривана снагом људи и животиња. Пре постављања обелиска стрма раван је морала бити вештачки саграђена, а након постављања се склањала. На крају би велики обеликс стајао усправно. Обеликси из тих времена нису били причврћени за тло неким везивним материјалима, као данас. На чврстој подлози стајали су без везивних материјала, а пошто су имали огромне тежине нису могли да буду оборени због атмосферских или других утицаја.