Простые механизмы и их приминение в сельском хозяйстве

Путешественники и туристы всего мира, глядя на древние сооружения, не перестают удивляться: как могли быть возведены пирамиды, античные театры и т. п. без использования современной техники.

Великий путешественник, наш современник Тур Хейердал, посетив остров Паски в Тихом океане, с изумлением обнаружил, что когда - то жители этого благодатного изобильного острова занимались престранным делом - вытесывали огромные каменные истуканы и ставили их по всему острову. Особенно поражает трехтонная « шляпа» на одном из них. Можно понять, как обтесывали и раскалывали каменные глыбы, а как транспортировали, ставили (надевали) шляпу?

Человек для облегчения своего труда с незапамятных времен использует различные приспособления. “ Лень – двигатель прогресса”. Возможно, оно покажется справедливым, если учесть мнение, согласно которому на данный момент механизировано более 99% всех выполняемых людьми физических операций.

Но древним человеком навряд ли двигала лень, когда ему приходилось бороться за существование. Более 3000 лет до н. э. он «изобрел» каменное орудие - как средство охоты. Палка- первое орудие человека, это рычаг, а каменный топор- сочетание рычага и клина.

Сочетание простых механизмом встречалось очень давно.

5000 лет до н. э. - появление плуга;

3500 лет до н. э. - изобретение гончарного круга;

3200 лет до н. э. - в Месопотамии появление колеса;

2600 лет до н. э. - Древние египтяне используют при строительстве пирамид наклонные плоскости и бревна в качестве роликов, для перекатывания тяжелых глыб;

Около 300 лет до н. э. - Архимедом используется винт для подъема воды на нужный уровень; катапульты; подъемники и другие механизмы.

Механические устройство, служащие для преобразования величины или направления силы, называют простыми механизмами. К таким механизмам относятся: рычаг, блоки, клин, винт, наклонная плоскость и ворот.

Первым упоминанием о простых механизмах встречалось в сочинениях Герона Александрийского (около 1 в. н. э. ), а именно в книге “Механика”. Во второй части этой книги, сохранившей в арабском переводе. Хоть и в искаженном виде, есть теоретический раздел, посвященный пяти простым механизмам. С тех пор изложение этих 5- ти простых механизмов стало обязательным для любого теоретического сочинения по механике вплоть до трудов Галилея.

В трудах Герона впервые было сформулировано условие равновесия тел на наклонной плоскости. Но ему не удалось вывести правильную формулу - она появилась лишь в средние века.

Во второй половине 111 века н. э. Папп Александрийский, рассмотрел с теоретической точки зрения работу 5- ти простых механизмов, которую он изложил в трактате “Математическое собрание”. Он разделил механику на теоретическую и “ рукодельную”. Следуя Герону, Папп предпочел не давать точных доказательств своих утверждений. Ограничиваясь лишь их формулировкой и ссылкой на Архимеда. Но ему, как и Герону, не удалось вывести закон наклонной плоскости, к тому же он совершил ошибку, не умея различать силу тяжести и силу трения.

Но оба, Герон и Папп, подчеркивали применимость геометрии к простым механизмам, разработанную еще Евклидом и Архимедом. 3 в. до н. э. Евклид вывел соотношение, связывающее силу, вес и расстояние, которое данное тело проходит в данной среде, а затем пытался вывести из него закон рычага. Еще больших успехов в приложении геометрических построений к задачам механики добился Архимед. Он был не только математиком, но и выдающимся изобретателем и инженером. Трактат “ О весах и рычагах”, где изложены основы его механики, не дошли до наших дней, но сохранились другие, где в трактатах по механики заложены теоретические основы статики: в них впервые сформулировано понятие центра тяжести и дано доказательство закона рычага, более общее и математически строгое, чем у Евклида.

Архимед - древнегреческий ученый, великий математик и механик Древней Греции, родился в 287 г. до н. э. в г. Сирокузы, где и прожил почти всю свою жизнь. Учился Архимед. Как и многие другие древнегреческие ученые, в Александрии, где были лучшие греческие ученые и мыслители, а так же была самая большая в мире библиотека. После обучения он вернулся в Сирокузы, унаследовал должность своего отца- придворного астронома. В теоретическом отношении его труд был ослепляющее многогранен: математика и математический метод познания мира, геометрия и статика, гидростатика и оптика.

Архимед был не только великим ученым, он был человеком, страстно увлеченным механикой. Он проверил и создал теорию пяти механизмов, известных в его время, как теорию “ простых механизмов”. Несомненно, как механик и математик, Архимед на несколько столетий опередил свое время. Ему приписывают до 40 открытий в области практической механики, большинство из которых до наших дней не сохранились. Им были созданы не имеющие аналогов сокрушающие механические монстры, перед которыми дрогнула одна из самых сильных армий того времени. Боевые метательные машины. Которые забрасывали в стан врага « бомбы», начиненные пылающей смолой, мощные устройства, которые опрокидывали вражеские суда, включали в себя рычаги, ворот и блоки.

Еще до начала этой войны с римлянами, Архимед удивил своих соотечественников. В одном из писем к царю Гиерону, Архимед утверждал, что применяя незначительную силу, можно переместить очень большой груз. Именно тогда из уст Архимеда прозвучали слова: “Дайте мне место, на которое я мог бы встать, и я сдвину Землю”. (СЭ. Т. 3, стр. 184) или « дайте мне точку опоры, и я сдвину землю» ). После чего Гиерон потребовал доказательства. По приказу ученого на берег вытащили трехмачтовый грузовой корабль и наполнили его кладью, затем на судно забралась большая команда. Архимед, сев поодаль, безо всякого напряжения вытягивал канат, пропущенный через составной блок- полиспаст. Он передвигал к себе корабль так медленно и ровно, будто тот плыл по воде. Царь был поражен. После этого он убедил ученого построить несколько больших механизмов, которые и пригодились через несколько лет для защиты Сирокуз.

Плутарх так описал случившееся событие: “ Римляне напали со всех сторон. Но тут Архимед привел в действие свои машины. В неприятеля полетели стрелы разных размеров и огромные каменные глыбы, сокрушавшие все на своем пути. На вражеские суда стали опускаться укрепленные на стенах брусья и топить их, сильно толкать. С помощью огромных железных рук и клювов, похожих на журавлиные, защитники Сирокуз хватали корабли Марцетта, вытаскивали из воды носом вверх, а потом кормой вперед пускали на дно или бросали на камни. А сверху на корабли огромные катапульты сбрасывали большие камни. Римская армия отступила. Марцетта назвал Архимеда «Бриареем от геометрии», превзошедшего сказочного сторукого великана”.

Простые механизмы, которые облегчают труд, а так же могут быть использованы как часть более сложных устройств, следующие:

Рычаг - представляет собой твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры. В качестве рычага могут быть использованы лом, доска и др. подобные предметы. Используя рычаг, мы значительно увеличиваем воздействие силы. Для расчета выигрыша в силе, получаемого с помощью рычага, следует пользоваться правилом, открытым Архимедом еще в 3 в. до н. э. “ Для того чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы”. Выигрыш в силе, получаемый с помощью рычага, определяется отношением плеч приложенных сил. При этом необходимо зафиксированная точка опоры. Если она выбрана правильно, то небольшим усилием, приложенным к одному концу рычага, можно поднять большой груз. Хотя условия равновесия рычага встречается в приписываемых Аристотелю “Проблемах”, но оно изложено весьма неясно. Архимед же выводил его из постулатов, получаемых из непосредственных опытов с рычагами.

Если бы Архимед знал, как огромна масса Земного шара, то он, вероятно, воздержался от приписываемого ему знаменитого восклицания. Ведь для перемещения Земли с помощью воображаемого рычага на 1 см руке Архимеда пришлось бы проделать путь в 10 18 км.

Способ крепления мускулов в теле человека и животных обеспечивает конечностям быстроту движения, что более важно, чем сила. В этом проявляется « золотое правило механики»: что теряется в силе, выигрывается в перемещении. Правило можно легко проследить, наблюдая за рычагом, образующим согнутой в локте рукой при подъеме, например, гантели.

В наше время рычаги применяются в подъемных кранах, ножницах, кусачках, весах.

Историческая справка: К 642 г. Александрия, главный город империи Александра Македонского из византийской провинции попал в руки новых хозяев- арабов, которые проявили большой интерес к греческим рукописям. Один из них, арабский математик Сабит ибн Курра (836-900 г. ) написал “ Трактат о римских весах”, где он в правиле рычага доказывает, что если подвесы не перпендикулярны рычагу, то в качестве плеч нужно рассматривать расстояния от неподвижной точки до оснований перпендикуляров, опущенных от грузов на линию рычага.

В последующем в течении Х1- Х1Y вв. было время переводов и комментарий трудов античной культуры. В конце Х1Y в. появились сочинения по теории простых механизмов (статике). Еще в Х11 в. было написано несколько трактатов о пяти простых механизмах. Иордан Неморарий дал в них одно из первых правильных решений задач о равновесии тел на наклонной плоскости, с которой в свое время не справились александрийские механики Герон и Папп.

Достаточно присмотреться ко многим окружающим нас инструментам и приспособлениям- плоскогубцам, щипцам для колки орех, кусачкам, ножницам и можно увидеть, что в их основе лежат рычаг и наклонная плоскость. Например, если считать, что мы действуем на рукоятки ножниц по железу с силой 40- 50 Н, то при соотношении длин рукояток и режущих пластин в 20 раз, можно разрезать кусок металла с силой 1000 Н.

Историческая справка: самые первые ножницы нашли археолога в Древнем Египте. Этими ножницами пользуются примерно с 14 в. до н. э. Через тринадцать столетий в ходу были ножницы, более похожи на современные: два ножа, соединенные друг с другом дугообразной пружинящей металлической пластиной. Считается, что первые ножницы с перекрещивающимися лезвиями придумали в Древнем Риме в 1 в. н. э. Затем про них забыли и не пользовались до ХY столетия. Заново изобрели ножницы гениальный итальянец Леонардо да Винчи.

Блок представляет собой устройство, имеющее форму колеса с желобом, по которому пропускают веревку трос или цепь. Различают два вида блоков - подвижный и неподвижный. Если к ним применить правило рычага, то неподвижный блок не дает выигрыша в силе и его применяют дл того, чтобы изменить направление действия силы. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза. На практике же чаще применяют комбинацию подвижного и неподвижного блоков, которые позволяет изменить направление силы с одновременным выигрышем в силе. Для получения большого выигрыша в силе применяют полиспаст. Он представляет собой комбинацию из двух обойм, одна из которых состоит из неподвижных блоков, другая- из того же количества подвижных блоков ( как правило- 3-х ). Греческое слово полиспаст образовано из двух корней « поли»- много и «спаю»- тяну, т. е. в целом получается « многотяг». Такое устройство облегчает подъем груза во столько раз, сколько подвижных блоков входит в его конструкцию. Именно такое устройство применил Архимед для демонстрации перемещения тяжелого корабля. В настоящее время это устройство является неотъемлемой частью башенных кранов.

Ворот состоит из цилиндра и прикрепленного к нему рукоятки. На цилиндрический барабан навивается канат или цепь. Плечо рукоятки принимается R, ворота-r. Тогда выигрыш в силе F=P R/r, но он дает фактически меньше- потери на трение. Максимальный выигрыш может составлять приблизительно 10 Р. Чаще всего его применяли для подъема воды из колодцев. Такое сооружение еще и сейчас можно встретить в сельской местности на равнее с другим механизмом для того же – « журавль» ( рычаг). Вороты приводились в действие конным приводом, а так же от вододействующих колес. В 17 в. использовали при подъеме царь колокола в Московском Кремле весом около 180 т механизм куда входили: рычаг, полиспаст , канат наматывался на барабан ворота. Вороты с ручным и машинным приводом , а так же с промежуточными зубчатыми или червячными передачами на валы барабана используются как основные части машин.

Одним из современных механизмов является лебедка. Она представляет собой сочетание ворота с двумя зубчатыми колесами разного диаметра, на барабан или шкив наматывается канат или цепь, имеется механизм привода с промежуточной передачей, тормозным устройством и опорного столика, что и отличает лебедку от ворота. Служит она так же для подъема и перемещения тяжелых грузов. Лифт- это подъемник, поднимающий и опускающий с помощью канатной лебедкой. Он включает лебедку, блок, кабину, движущуюся по направляющим, и противовес. Лифт - анг. слово, означающее «поднимать». Первый лифт в России создал механик- самоучка Иван Кулибин более 200 лет назад для царицы Екатерины Второй. Приводился он в действие рукояткой подъемного механизма, которую крутили солдаты. Сейчас лифт является неотъемлемой частью всех высоток, только приводятся они в действие электродвигателем и автоматикой.

Винт - цилиндрический стержень, снабженный нарезкой. “ Архимедов винт”- подъемная машина, изобретенная Архимедом, представляет собой открытую с двух сторон цилиндрическую трубу, по оси которой установлен вал с винтовой поверхностью, образующий винтовой канал. Два года благодаря подъемной системе водоснабжения, созданной по проекту ученого, Сирокузе удалось выдержать осаду римской армии.

Сегодня «архимедов винт» используется в обыкновенной мясорубке. А на основе его созданы такие детали, как болты с гайками, винты, шурупы. Широкое применение они получили как крепежные детали во многих механизмах.

Кстати, первый винт для дерева использовался еще в Древнем Риме. Изготовляли их из бронзы или серебра, а резьбу иногда заменяли проволокой, накрученной на стержень и приваренной к нему. С исчезновением Римской империей изобретение было утрачено. Болты и гайки с винтами с нарезкой появились лишь в середине ХY в. Тогда их нарезали вручную, каждую гайку можно было навинтить только на один, соответствующий ей болт.

Принцип винта используется в винтовом домкрате, использующий для подъема тяжелых тел. Все водители транспортных средств не обходятся без него.

Клин – простой механизм, имеющий одну или две рабочие грани в виде наклонных плоскостей, треугольной или трапециидальной формы. Поперечное сечение должно быть таким, чтобы не выжимался обратно под действием поперечных сил, такой клин называется самотормозящимся. Кроме того, молот бьет по клину сверху вниз, а половинки полена раздвигаются влево и вправо, т. е. происходит преобразование направления движения. Работа клина основана на том, что при больших силах в направлении обуха, создаются много большие силы, которые перпендикулярны боковым поверхностям. Подбирая определенные геометрические соотношения клина, можно добиться условия, что F2 будет во много раз превышать F1.

Таким образом, все простые механизмы еще в древние века получили распространение.

Станки для обработки дерева, строительные краны, водяные мельницы, были первыми механизмами, не использующие животную тягу. Греки также открыли, что для приведения механизмов в действие можно использовать силу пара. Но ни греки, ни столь изобретательные китайцы не были заинтересованы в создании машин, считая более доступной и дешевой рабочий труд. Но со временем рабочая сила стала дорожать, возникла экономическая целесообразность использовать машины. Таким образом, начиная с 18 в. стала развиваться механизированная промышленность. Рост механизации сказался и на сельском хозяйстве, где машины стали использовать на уборке урожая, молотьбе, посеве и т. д.

Простые механизмы в сельском хозяйстве

Рычаги, блоки, полиспасты, ворот, наклонная плоскость и другие простые механизмы применяются в различных сельскохозяйственных устройствах как самостоятельно, так и в различных комбинациях.

Ключ для отворачивания гаек при разборке и сборке деталей машин, штурвал в комбайне, тракторе и автомобиле, механизмы управления этими машинами - все это рычаги. Если, например, удлинить ручку домкрата, то можно получить еще больший выигрыш в силе. Иногда на гаечные ключи для увеличения силы надевают трубу.

Поднять сено вручную на высокий стог довольно трудно, поэтому такие работы механизируют. Существуют различные сеноуборочные машины. Например, стогометатель, основным устройством которого являются рычаги и блоки.

Рычаги применяются в бульдозерах и грейферных погрузчиках, используемых при погрузке различных грузов, а так же в животноводстве для погрузки различных кормов. Бульдозер - объемное приспособление к трактору, используемое при различных работах в поле и на расчистке дорог, представляет сочетание клина и винта.

На земляных работах, в карьерах используются различные экскаваторы или ковш, навешенный на трактор. Данные машины используются для выкапывания траншей под закладку силоса на зиму, под прокладку трубопровода, а также загружает землю и песок в грузовые автомобили.

Историческая справка: Считается, что древние египтяне первыми стали применять строительные машины для возведения пирамид, и уже тогда появился первый подъемный кран. В его работе использовались огромные ступенчатые колеса. Рабочий шагал по ступенькам, колесо крутилось, на него накручивался канат- груз поднимался на определенную высоту. Первые подъемные механизмы перевозились лошадьми или рабами.

Современные подъемники установили на автомобили - автокран. Стрела у него может выдвигаться, как труба телескопа. Для того, чтобы кран не опрокидывался, с противоположной стороны от стрелы подвешивают тяжелый противовес. Такие же противовесы рекомендуют устанавливать на стогометателях, грейферных погрузчиках, а на тракторе с ковшом дополнительно устанавливают стойки- упоры.

Рычаги применяются в качестве механизмов управления гусеничным трактором, т. к. у него нет рулевого колеса.

Лебедка- сочетание ворота и зубчатой передачи, выигрыш в силе во столько раз, во сколько R рукоятки больше R ворота. Но зубчатая передача используется во всех коробках перемены передач на всех тракторах, комбайнах и автомобилях. Зубчатая передача используется в усилителе рулевого механизма. В ступенчатой силовой передачи передает крутящий момент от двигателя к ходовым колесам с одновременным его преобразованием, т. е. снижает число оборотов и увеличивает крутящий момент. Винт в сельскохозяйственной технике получил довольно широкое применение. Он является основной частью винтовых транспортеров – шнеков. Если ленточные транспортеры на погрузках (пример использования наклонной плоскости) может перемещать груз под небольшими углами, то шнеки применяются для транспортировки сыпучих и кусковых материалов. Большое их количество имеется на зерновом комбайне: шнек жатки для перемещения срезанной массы к наклонному транспортеру, колосовой шнек, несколько зерновых шнеков для загрузки и выгрузки зерна из бункера. В животноводстве шнеки используются в кормораздатчиках. Винт применяется в соковыжималках, в прессах для выжимания масла из семян.

Применение клина: топор, колун для колки дров, используемый в каждом сельском дворе. Но принцип клина есть в плуге, а именно, в ноже – он представляет собой клин, грани которого расположены под углом 12-150 одна к другой. Лезвие лемеха так же является клином с углом заточки 150, а его форма и форма отвала, состоящего из 1-7 клиньев, поставленных друг на друга. Верхняя часть их несколько изогнута в сторону и представляет собой винтовую поверхность. Благодаря этому почва не только поднимается по отвалу, но и переворачивается.

Остриё лопаты, вил, лезвие косы – все это клин. Дисковые или зубовые бороны, сошники сеялок, сегменты режущего аппарата косилки и комбайна - все это клинья разных профилей и конструкций.

Клин может служить креплением, например, косы к косовице; топора в топорище, рукояток в различных инструментах и деталей в узлах механизмов трактора.

В некотором случае одно и тоже орудие может быть использовано по-разному. Лопата при погружении её в почву- клин, а при поднятии и выбрасывании - рычаг.

При уборке свеклы, сначала срезают ботву, затем выкапывает корни, выкапывание картофеля. Копачи - это клинья.

При культивации почвы, а также обработке междурядья, используют культиваторы разных марок и с различными типами культиваторных лап, где используется сочетание клина и винта.

Различные погрузчики сельскохозяйственной продукции – это сочетание наклонной плоскости, блоков, ворота и других простых механизмов.

В домашнем сельском хозяйстве без применения простых механизмов не обойтись. Это не только перечисленные ранее инструменты, но так же тележки для перевозке различных грузов; подъем воды из колодца, при отсутствие водопровода; продуктов из погреба; секаторы для обрезки плодовых кустов и деревьев; лестницы различных конструкций.

Любителю рыбалки не обойтись без удочки или спиннинга, где используется сочетание рычага и блока.

Таким образом, механизмы – устройства, которые облегчают работу и выполняют то, что нам самим сделать трудно или даже не возможно. И будь они простыми или сложными, человеку уже трудно обходиться без них. Знание теории простых механизмов, их сочетание и выигрыш, который они дают в силе, позволяет человеку создавать все более сложные механизмы и широко применять их в любой отрасли.