Первобытные люди остро ощущали недостаток собственных физических возможностей по сравнению с мощной силой окружавшей их природы. Неудивительно, что человек всегда стремился найти технические решения, чтобы компенсировать свое бессилие.
Одним из первых гениальных открытий на заре цивилизации был рычаг. Невозможно даже приблизительно указать время или место, когда люди впервые осознанно его применили. Скорее всего, в качестве первого рычага использовалась обычная палка, при помощи которой можно было выдернуть из земли съедобные корни или приподнять камень.
Рычаг – это жесткий стержень, свободно поворачивающийся относительно неподвижной точки, которую называют точкой опоры. Примеры рычага можно наблюдать повсюду: лом, молоток с расщепом для вытаскивания гвоздей, тачка, метла и так далее. Тело человека тоже можно назвать системой рычагов, в нем точками опоры служат суставы.
Рычаг дает человеку возможность перемещать предметы, не прилагая иной силы, кроме силы мышц и веса тела. Количество работы, затрачиваемой на выполнение какого-либо действия, не меняется: выигрыш в силе оборачивается проигрышем в скорости, и наоборот. В любом рычаге есть точка приложения силы, точка приложения нагрузки и точка опоры. В зависимости от их расположения существует три вида рычагов. Выигрыш в силе рычага равен отношению расстояния от точки приложения силы к расстоянию от точки приложения нагрузки к точке опоры. Расстояние по перпендикуляру, опущенному из точки опоры на линию действия силы, называется плечом силы. Для того чтобы рычаг находился в равновесии, необходимо равенство произведений сил на соответствующие им плечи.
Рычаг первого рода, или «коромысло», – опора расположена между точками приложения сил. Для равновесия необходимо, чтобы силы были направлены в одну сторону. Выигрыш в силе для такого рычага больше единицы.
Рычаг второго рода, или «тачка», – обе силы приложены с одной стороны опоры, но расстояние от точки опоры до точки приложения силы больше, чем расстояние от точки опоры до точки приложения нагрузки. Для равновесия такого рычага необходимо, чтобы силы были направлены в разные стороны. Выигрыш в силе для рычага-«тачки» больше единицы.
Рычаг третьего рода, или «пинцет», – точка приложения силы находится между точкой опоры и точкой приложения нагрузки. Поскольку в нем плечо силы меньше плеча нагрузки, то выигрыш в скорости в нем больше единицы.
В давние времена человек использовал и другие простые механизмы, например наклонную плоскость, блок, ворот, клин и винт.
Наклонную плоскость применяют для перемещения грузов на высоту без их отрыва от опоры. Примерами наклонной плоскости могут быть пандусы, лестницы, эскалаторы. Выигрыш в силе, который достигается применением наклонной плоскости, равен отношению пройденного пути к высоте, на которую поднялся груз. Поскольку первое расстояние всегда больше второго, то наклонная плоскость дает выигрыш в силе.
Ворот – это два соединенных друг с другом колеса, вращающиеся вокруг общей оси. Ворот применяют, например, для поднятия из колодца ведра с водой. Ворот – это рычаг первого рода, он может давать выигрыш как в силе, так и в скорости. Здесь выигрыш зависит от радиуса колес, к которым прилагаются нагрузка и усилие.
Блок – это колесо, по окружности которого проходит желоб для цепи или каната. Блок предназначен для подъема грузов. Одиночный блок может иметь закрепленную ось (уравнительный блок) или быть подвижным. Уравнительный блок является рычагом первого рода с точкой опоры на оси. Плечо усилия и плечо нагрузки равны радиусу блока, поэтому выигрыш в силе и скорости равны единице.
В подвижном блоке нагрузка расположена между точкой опоры и усилием, поэтому это рычаг второго рода. Плечо нагрузки равно радиусу блока, плечо усилия равно его диаметру. Для подвижного блока выигрыш в силе равен двум. Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать для увеличения выигрыша в силе. Систему блоков и канатов, предназначенную для повышения грузоподъемности, называют полиспастом.
Клин является, по сути, сдвоенной наклонной плоскостью. Но если наклонная плоскость остается неподвижной, а груз движется по ней, то клин, наоборот, входит в место приложения нагрузки. Выигрыш в силе, получаемый при помощи клина, равняется отношению длины к толщине более широкого конца. Расклинивающая сила, действующая в направлении, перпендикулярном движению клина, может превосходить продольную в 4―5 раз. Клин применяется в инструментах, производящих откалывающее и режущее действия (топор, нож, швейная игла), или в качестве регулирующего элемента. Клиновые соединения применяются для зажима деталей. Кроме того, клин служит для передачи поступательного движения под углом.
Винт – это наклонная плоскость-резьба, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления наклона резьба может быть левой и правой. Резьба на винте и сопрягающейся детали должна совпадать. Примерами простых механизмов, в которых применяется винтовая резьба, являются болт и гайка, тиски, домкрат. Резьба, как разновидность наклонной плоскости, дает выигрыш в силе. Выигрыш в силе равен отношению расстояния, которое проходит точка приложения силы за один оборот, к расстоянию, которое проходит нагрузка по оси винта. Расстояние между двумя соседними витками называют шагом резьбы.
Иногда простыми механизмами называют лишь рычаг и наклонную плоскость. Блок и ворот считают разновидностями рычага, а клин и винт – наклонной плоскости.
Более сложные механизмы, которые были созданы человеком в процессе развития техники, представляют собой варианты и сочетания описанных простых механизмов.