Mesin

I. PENDAHULUAN

Mesin, perangkat sederhana yang mempengaruhi kekuatan, atau usaha, diperlukan untuk melakukan sejumlah pekerjaan. Mesin dapat membuat pekerjaan yang sulit tampaknya lebih mudah dengan memungkinkan seseorang untuk menerapkan kekuatan kurang atau menerapkan gaya dalam arah yang lebih mudah untuk memanipulasi. Mesin mengurangi gaya yang dibutuhkan untuk melakukan pekerjaan dengan memperpanjang jarak di mana gaya diterapkan. Meskipun kekuatan kurang selanjutnya digunakan, jumlah pekerjaan yang dihasilkan tetap sama. Mesin juga dapat meningkatkan kecepatan di mana pekerjaan membuat perjalanan objek, tetapi meningkatkan kecepatan membutuhkan aplikasi lebih banyak usaha.

Ada empat jenis mesin sederhana: tuas, katrol, bidang miring, dan roda dan as roda. Setiap mesin mempengaruhi arah atau jumlah usaha yang dibutuhkan untuk melakukan pekerjaan. Kebanyakan mesin mekanik, seperti mobil atau alat-alat listrik, adalah mesin yang kompleks yang terdiri dari banyak bagian. Namun, tidak peduli seberapa rumit mesin, itu terdiri dari beberapa kombinasi dari empat mesin sederhana. Meskipun mesin sederhana telah dikenal dan digunakan selama ribuan tahun, tidak ada mesin sederhana lainnya telah ditemukan. Dua mesin sederhana umum lainnya, sekrup dan baji, benar-benar adaptasi dari bidang miring.

Beberapa contoh umum dari mesin sederhana adalah sekop (bentuk tuas), katrol di atas tiang bendera, roda kemudi dari sebuah mobil (suatu bentuk roda dan poros), dan jalan kursi roda (bentuk bidang miring ). Contoh sehari-hari dari mesin kompleks adalah pembuka kaleng, yang menggabungkan sebuah tuas (pegangan berengsel), roda dan as roda (balik knob), dan irisan (memotong disk diasah).

II. KERJA

Mesin membantu orang bekerja dengan mengubah jumlah kekuatan dan jarak yang dibutuhkan untuk memindahkan objek. Kerja, dalam fisika, adalah jumlah gaya yang digunakan untuk memindahkan objek dikalikan dengan jarak di mana gaya diterapkan. Ini dapat ditulis dalam istilah matematika:

Kerja = Angkatan × Jarak

Angkatan didefinisikan sebagai dorongan atau tarikan yang diberikan pada satu tubuh dengan yang lain, seperti tangan mendorong sebuah buku di meja. Jarak merujuk pada jarak beban digerakkan oleh gaya. Keuntungan yang mesin memberikan penggunanya dengan mempengaruhi jumlah gaya yang dibutuhkan disebut keuntungan mekanis mesin, atau MA. Mengetahui keuntungan mekanis dari mesin memungkinkan pengguna untuk memprediksi berapa banyak kekuatan yang dibutuhkan untuk mengangkat benda yang diberikan.

A. Bagaimana Mesin Kerja

Sebuah mesin dapat membuat tugas yang diberikan tampak lebih mudah dengan mengurangi jumlah gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan objek, dengan mengubah arah di mana gaya harus diterapkan, atau dengan melakukan keduanya. Sebuah mesin menurunkan jumlah gaya yang dibutuhkan dengan meningkatkan jarak di mana usaha diterapkan untuk memindahkan objek. Jumlah pekerjaan yang diperlukan untuk mengatasi gravitasi dan mengangkat beban yang diberikan selalu tetap sama, tetapi menyebar upaya yang diperlukan di atas jarak yang lebih jauh membuat tugas tampak lebih mudah. Inilah sebabnya mengapa berjalan secara bertahap sampai landai lebih mudah daripada berjalan lereng curam. Jarak berjalan di lereng lembut lebih panjang, tetapi upaya yang diperlukan untuk mencapai puncak kurang. Sebuah landai adalah bentuk bidang miring.

Menerapkan upaya lebih dari jarak yang lebih besar membutuhkan lebih banyak waktu, dan ini memperlambat kecepatan kerja. Beberapa mesin benar-benar dapat mempercepat tugas. Mereka melakukan ini dengan mengurangi jarak di mana usaha diterapkan. Jika jarak dalam persamaan mendefinisikan pekerjaan (Work = Angkatan × Jarak) berkurang, maka gaya karena itu harus ditingkatkan untuk menjaga pekerjaan konstan. Meningkatkan kecepatan di mana tugas dilakukan membutuhkan kekuatan lebih daripada yang akan diperlukan. Roda dan poros dan tertentu jenis pengungkit adalah mesin sederhana yang baik dapat mempercepat tugas (yang membutuhkan lebih banyak usaha) atau memperlambat tugas (yang membutuhkan sedikit usaha). Berbagai gigi pada sepeda multispeed (mesin yang kompleks lain) bekerja dengan cara yang sama dengan yang ada pada roda dan as roda. Beberapa gigi membutuhkan usaha lebih, tetapi mereka membuat perjalanan sepeda lebih cepat di medan datar. gigi lainnya membutuhkan sedikit usaha dan berguna untuk mendaki bukit.

Orang menggunakan mesin sederhana, seperti tuas dan katrol, untuk membuat tugas-tugas pengguna lebih mudah. Energi mekanik pada otot seseorang membuat mesin yang bekerja. Tidak semua mesin menggunakan kekuatan otot, namun, untuk melakukan pekerjaan. Sebuah mesin yang kompleks, seperti mesin pesawat terbang atau lift, terdiri dari banyak mesin sederhana. mesin pesawat dan elevator tidak didukung dengan tangan. mesin kompleks sering menggunakan energi yang tersimpan dalam zat kimia, seperti bahan bakar pesawat atau energi yang tersimpan dalam listrik, untuk memberikan kekuatan yang diperlukan untuk melakukan pekerjaan. Sebuah mesin pesawat menggunakan pembakaran, atau pembakaran yang cepat, bahan bakar pesawat untuk daya mesin yang ternyata baling-baling. Lift menggunakan mesin besar, biasanya didukung oleh listrik, untuk menarik kabel yang menaikkan dan menurunkan mobil lift. Listrik juga kekuatan tuas yang membantu membuka dan menutup pintu lift.

B. Keuntungan Teknik dan Gesekan

Mengukur keuntungan mekanis (MA) adalah cara matematis untuk menentukan berapa banyak mesin mempengaruhi jumlah gaya yang dibutuhkan untuk melakukan pekerjaan. Para ilmuwan menemukan keuntungan mekanis dari mesin dengan membagi kekuatan mesin memberikan oleh upaya dimasukkan ke dalam mesin. Teoritis, atau ideal, keuntungan mekanis dari mesin adalah keuntungan itu akan menghasilkan jika mesin yang sempurna. Pada mesin sederhana, sumber utama ketidaksempurnaan gesekan. Gesekan hasil dari dua badan bergerak terhadap satu sama lain dalam arah yang berbeda. Gesekan selalu menentang gerakan dan membuat melakukan pekerjaan sulit. Sejak gesekan hadir di hampir setiap mesin, keuntungan mekanik yang sebenarnya selalu kurang dari keuntungan mekanik teoritis.

Karena mesin sederhana meningkatkan keuntungan mekanis dengan meningkatkan jarak di mana usaha diterapkan, salah satu cara untuk menghitung keuntungan mekanis teoritis adalah untuk membagi jarak usaha diterapkan oleh jarak beban sebenarnya perjalanan. Misalnya, menaikkan beban 5 m (16 kaki) dari tanah lebih mudah jika beban naik lereng bertahap, atau bidang miring, bukan diangkat lurus ke atas. Memindahkan beban bersama pesawat 10-m (32 ft) cenderung akan memberikan keuntungan mekanis dari 10 dibagi dengan 5, atau 2. Ini berarti bahwa pekerjaan itu dua kali lebih mudah, atau bahwa hanya separuh banyak usaha diperlukan untuk meningkatkan muatan. Karena bidang miring, namun, beban yang dibutuhkan untuk mendorong dua kali lebih jauh berakhir 5 meter di atas tanah.

  C. Efisiensi

Faktor lain yang kadang-kadang orang menghitung untuk mesin adalah efisiensi mereka, atau rasio pekerjaan yang menghasilkan dengan jumlah pekerjaan yang dimasukkan ke dalam mesin. Efisiensi mesin biasanya dinyatakan sebagai persentase dan dapat bervariasi dari 5 persen menjadi 95 persen. Sebuah mesin yang sempurna akan menjadi 100 persen efisien. Kebanyakan mesin sederhana yang sangat efisien, tetapi mereka selalu kalah beberapa efisiensi akibat gesekan. Mesin mobil jauh lebih efisien karena banyak energi yang digunakan untuk memindahkan crankshaft hilang gesekan dalam bentuk panas menghilang dari mesin.

III. JENIS MESIN SEDERHANA

Keempat mesin sederhana setiap fungsi dalam cara yang berbeda, tetapi mereka semua mengubah arah atau jumlah usaha dimasukkan ke dalamnya. Keempat mesin ini dapat digunakan untuk mengurangi jumlah gaya yang dibutuhkan untuk melakukan pekerjaan atau untuk mengubah arah gaya. Roda dan poros dan beberapa tuas juga dapat digunakan untuk meningkatkan kecepatan kinerja tugas, namun hal ini selalu meningkatkan jumlah gaya yang dibutuhkan.

A. Pesawat miring

Landai dan tangga adalah contoh sederhana dari bidang miring. Bidang miring adalah obyek yang menurunkan upaya yang diperlukan untuk mengangkat sebuah benda dengan meningkatkan jarak di mana usaha diterapkan. Peningkatan jarak ini memungkinkan seseorang untuk memindahkan objek besar untuk ketinggian tertentu sambil menerapkan gaya kurang dari lain akan diperlukan. (Tanpa pesawat, seseorang akan perlu untuk mengangkat dengan gaya yang sama dengan seluruh berat benda.) Tradeoff adalah bahwa dengan bidang miring, orang harus memindahkan objek jarak jauh. Bidang miring juga berubah arah-dari lurus ke atas untuk sepanjang sudut dari pesawat-upaya diterapkan. Jumlah kerja yang dilakukan adalah sama apakah orang tersebut mengangkat objek lurus ke atas atau di sepanjang bidang miring.

MA dari bidang miring sama dengan panjang dari pesawat dibagi dengan tinggi badan yang objek dinaikkan. Sebuah pesawat lama cenderung pada sudut kecil memiliki keuntungan mekanis lebih besar daripada bidang miring yang curam, karena usaha diaplikasikan di atas jarak yang lebih jauh. Irisan adalah bidang miring ganda, dengan pesawat di setiap sisi. Wedges sering digunakan untuk membagi kayu, mengubah arah ke bawah dari gaya dari palu godam untuk kekuatan samping ke arah kayu terbelah.

Sebuah sekrup adalah bentuk bidang miring di mana pesawat melilit sumbu, atau tiang. MA sekrup berhubungan dengan pitch benang (jarak sepanjang sumbu sekrup dari satu thread ke yang berikutnya) dan diameter sumbu. Ada dua jenis sekrup: pengancing sekrup dan mengangkat sekrup. sekrup penambat digunakan untuk bergabung sesuatu bersama-sama. Contoh sekrup pengikat adalah kayu atau logam sekrup, yang memiliki benang yang menggali ke dalam bahan yang bergabung. Bahan-bahan tersebut diselenggarakan bersama oleh kombinasi dari gesekan pada benang dan kompresi sekrup oleh bahan. sekrup lainnya, kadang-kadang disebut sekrup mesin atau baut, memiliki benang yang dicocokkan dengan benang di dalam kacang.

sekrup mengangkat digunakan untuk mengangkat beban atau untuk mengerahkan gaya pada badan-badan lainnya. Contoh dari sekrup angkat adalah jack sekrup yang digunakan untuk mengganti ban pada mobil. sekrup mengangkat biasanya dilumasi untuk mengurangi gesekan, tetapi beberapa gesekan dengan mengangkat sekrup adalah membantu sehingga sekrup aman dapat menahan beban.

B. Lever

Salah satu mesin sederhana yang paling umum digunakan adalah tuas. Sebuah jungkat-jungkit adalah contoh dari tuas. Lengan manusia sebenarnya tuas, dan otot-otot menerapkan gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat berat atau memindahkan benda. Sebuah tuas terdiri dari bar yang berputar di sekitar titik poros, yang disebut titik tumpu. Gaya yang diterapkan oleh pengguna adalah usaha. Objek yang diangkat disebut beban. Ada tiga kelas pengungkit, yang bervariasi dalam penempatan upaya, beban, dan titik tumpu di sepanjang bar. Dalam Kelas 1 tuas, titik tumpu terletak di antara usaha dan beban, seperti di jungkat-jungkit. Dalam Kelas 2 tuas, titik tumpu terletak di salah satu ujung, upaya diterapkan di ujung yang lain, dan beban di tengah, seperti dalam gerobak. Dalam Kelas 3 tuas, titik tumpu lagi di salah satu ujung, tapi beban di ujung, dan usaha yang diterapkan di tengah. Lengan manusia adalah Kelas 3 tuas. Siku adalah titik tumpu, dan otot-otot lengan menerapkan upaya antara siku dan tangan. Pinset adalah contoh lain dari Kelas 3 tuas.

Salah satu keterbatasan tuas adalah bahwa mereka hanya beroperasi melalui sudut yang relatif kecil. MA dari tuas adalah jarak dari titik tumpu ke titik di mana kekuatan yang diterapkan dibagi dengan jarak dari titik tumpu ke beban. MA dimaksimalkan ketika beban dekat dengan titik tumpu dan usaha yang jauh dari titik tumpu. Dalam hal ini, upaya kecil dapat memindahkan beban besar.

  C. Katrol

katrol adalah tipe khusus dari roda, disebut sheave sebuah, yang memiliki alur potong tepi untuk memandu tali, kabel, atau rantai. Katrol digunakan di bagian atas tiang bendera dan dalam beberapa jenis window blinds. Jika katrol tunggal digunakan, keuntungan mekanik 1, dan satu-satunya keuntungan dari menggunakan katrol adalah bahwa arah gaya yang dibutuhkan berubah. Misalnya, untuk menaikkan window blinds, tarik ke bawah pada tali diperlukan.

Ketika beberapa katrol digabungkan (dalam apa yang disebut blok dan mengatasi), mereka dapat memiliki keuntungan mekanik lebih besar dari 1, karena mereka meningkatkan jarak yang perjalanan tali, sehingga meningkatkan jarak di mana usaha diterapkan. MA dari blok dan mengatasi sama dengan jumlah helai tali pada bagian dari blok dan mengatasi yang melekat pada beban. Menggunakan kombinasi dari katrol yang menghasilkan tiga helai tali yang melekat pada beban mengharuskan pengguna untuk menarik tali tiga kali lebih jauh dari beban benar-benar bergerak. Hasil ini merupakan MA dari 3, yang berarti bahwa sepertiga banyak usaha yang diperlukan untuk memindahkan beban. Tali pada katrol menyebabkan banyak gesekan, dan ini membatasi jumlah katrol yang dapat digunakan.

  D. Roda dan Poros

Roda dan poros mirip dalam tampilannya katrol, dengan satu perbedaan utama: roda adalah tetap ke as roda, seperti roda kemudi mobil. Seorang pengguna berlaku upaya untuk roda luar besar roda kemudi untuk memindahkan beban di as roda. MA dari roda dan poros sama dengan jari-jari roda dibagi dengan radius as roda. Jari-jari roda, dan karena itu lingkar, biasanya jauh lebih besar daripada jari-jari as roda. Oleh karena itu, jarak di mana usaha diterapkan jauh lebih besar dari jarak beban, yang ditempatkan di as roda, bergerak. Perbedaan dalam ukuran roda dan poros dapat menghasilkan keuntungan mekanis yang besar. Beberapa contoh umum dari roda dan poros adalah gagang pintu dan putaran keran air pegangan.

IV. MESIN KOMPLEKS

Banyak benda sehari-hari yang benar-benar kombinasi dari mesin sederhana. Kombinasi tersebut dikenal sebagai mesin yang kompleks. gagang pintu adalah sistem roda dan as roda yang mentransfer gaya yang diterapkan oleh seseorang untuk sistem tuas. Tuas bergerak baut dan membuka pasak pintu. Sebuah tang benar-benar dua Kelas 1 tuas dengan titik tumpu yang sama (pivot pin). Tang biasanya memiliki keuntungan mekanis dari 5 atau lebih tinggi. Sebuah gunting adalah sebuah tang dengan wedges sebagai ujung tombak. Memotong sesuatu tebal atau keras adalah mudah bila gunting yang terbuka lebar dan objek ditempatkan di dekat pin pivot. Penempatan ini mengurangi jarak antara beban dan titik tumpu, memberikan gunting MA lebih tinggi daripada jika pemotongan itu dilakukan di dekat ujung gunting.

Beberapa mesin kompleks yang sangat rumit. Sebuah mobil adalah salah satu mesin tersebut. Mesin mengandung banyak tuas, roda dan as roda, dan katrol. Seluruh mesin diselenggarakan bersama oleh baut ulir, yang merupakan bentuk bidang miring. transmisi menggunakan roda gigi, yang merupakan bentuk roda dan poros dengan gigi berbentuk khusus pada bagian luar roda. Dua gigi cocok bersama dan mentransfer kekuatan dan kekuasaan dari satu poros gigi yang lain. Dengan memilih ukuran gigi, kecepatan dan arah rotasi as roda dapat dikendalikan.

Bahkan perangkat yang tampaknya tidak menjadi mekanik penggunaan mesin sederhana. Sebuah komputer, yang dianggap sebagai perangkat elektronik, memiliki kipas pendingin. kipas ini adalah mesin kompleks di mana poros motor ternyata kipas, yang merupakan bentuk roda. Disk drive menggunakan roda dan as roda untuk mengubah disk dan sistem tuas untuk posisi kepala yang membaca dan menulis data pada disk.

V. SEJARAH

Sejarah mesin tanggal kembali ribuan tahun. Meskipun tanggal penggunaan pertama dari mesin sederhana tidak diketahui, tuas diyakini mesin sederhana pertama yang dimanfaatkan oleh manusia. Namun, seseorang memilih panjang, pendekatan bertahap gunung daripada berjalan curam, jalan yang lebih pendek akan telah mengambil keuntungan dari bidang miring. Tuas pertama itu mungkin cabang atau kayu yang digunakan untuk mengangkat benda berat. Orang menggunakan tuas diimbangi disebut shadoof di Mesir kuno untuk mengangkat air irigasi. Orang juga digunakan alat tersebut untuk mengangkat prajurit-prajurit benteng. Logam atau batu wedges telah digunakan sejak zaman kuno untuk membelah kayu. Orang-orang digunakan wedges kayu untuk membagi batuan dengan menempatkan wedges kayu kering ke celah-celah di batu dan kemudian memungkinkan wedges membengkak dengan menyerap air. Sejarawan percaya orang-orang dari Mesopotamia kuno (peradaban awal dekat modern Irak) digunakan roda sedini 3500 SM. Kereta di Asia Kecil yang digunakan roda spoked, yang lebih ringan dari roda solid, sedini 2000 SM. Penemu Yunani Archimedes (287-212 SM) mengembangkan perangkat sekrup-jenis yang dikenal sebagai sekrup Archimedes 'untuk menaikkan air. Beberapa pompa air yang modern masih menggunakan prinsip ini. Menurut legenda, Archimedes juga digunakan blok dan mengatasi untuk menarik kapal ke darat.

Mesin dapat mengubah energi alam, seperti angin dan air jatuh, ke dalam pekerjaan. Kincir air, pertama kali digunakan di Yunani kuno dan Roma, dan kemudian diadopsi oleh orang Eropa pada abad ke-12, digunakan air yang jatuh dari air terjun untuk memutar roda besar (lihat Waterpower). kincir angin juga menggunakan prinsip roda dan poros yang sama untuk memperbesar dan mengubah arah gaya untuk melakukan pekerjaan. Gerinda terhubung ke kincir air dapat menggiling gandum untuk membuat tepung atau kekuasaan gergaji besar untuk menggergaji kayu. Pompa terhubung ke kincir angin mengubah gerakan berputar kincir angin ke reciprocating (bolak-balik) gerak, yang digunakan untuk memompa air dari tanah. Kincir air dan kincir angin juga dapat dihubungkan ke generator listrik untuk menghasilkan listrik.

mesin rumit seperti tenun listrik (dipatenkan pada tahun 1786) membantu menumbuhkan perbaikan terlihat di Inggris selama Revolusi Industri pertama di akhir abad ke-18. Kemudian Revolusi Industri di tempat lain membawa penemuan bahkan lebih kompleks mesin, seperti gin kapas (digunakan untuk serat kapas terpisah dari biji), penuai mekanik (digunakan untuk memotong gandum), dan mobil.