Kaldıraçlar ve kamalar
İnsanoğlu günümüzde çeşitli makinelerle iç içe yaşamaktadır. Bütün makineler, şu ya da bu biçimde “güç tasarrufu” sağlayan araçlardır. Yaygın kullanımı olan bu tanım aynı zamanda bilimseldir. Bir bilim adamına göre makine, mekanik yarar sağlayan araçtır. Başka bir deyişle makine bir yükü kaldırma ya da hareket ettirmede sanırlı bir çabanın yararlı olmasına elveren araçtır. Bir makinenin mekanik verimi, direnç/güçtür. Bu anlamda en basit makineler, birçok karmaşık makine da binlercesi karmaşık makinede binlercesi kullanılan kaldıraç, kama ve vidalardır.
Çabanın büyütülmesi;
Kaldıraçların yüzlerce kullanımı vardır; el manivelası, kürek, tornavida, makas, tahterevalli ve el arabasında hep çeşitli kaldıraç kullanılır. Bunların temel işlevi yükü kaldırmayı kolaylaştırmak için gücün büyümesini sağlamaktır. Her kaldıraç, dayanak noktası adı verilen bir mil ucuna tutturulur. Kaldıracın mekanik verimini, direnç ve gücün büyüklükleriyle bunların dayanak noktasından uzaklıkları belirler.
Dört yaşında bir çocuk 75 kg. ağırlığında bir adamı nasıl kaldırır? Basit bir yol, ikisini de bir tahterevalliye oturtmaktır. Eğer adam dayanak noktasına yakın oturursa öteki tarafın en ucunda oturan çocuğun ağırlığı onu kaldırmaya yeter. Ancak, adamın çıktığı mesafe çocuğun indiği mesafeden az olur. Bununla birlikte, bu yöntemle yük kaldırılır. Bu nedenle, yunan matematikçisi archimedes’in (M.Ö.287–212) “bana üstünde duracak sağlam bir yer verin, dünyayı kaldırayım” demesine şaşılmamalıdır.
Hareketsiz bir tahterevallinin (ve dirençle gücün birbirini) dengelediği her türlü kaldıraçların) durumuna, denge durumu denir. Böyle durumlarda, direncin, dayanak noktasından yatay uzaklığıyla çarpımı, gücün dayanak noktasından yatay uzaklığıyla çarpımına eşittir. Yukarda verilen örnekteki çocuk, 12,5 kg. ağırlığında daysa ve dayanak noktasından 3 m uzaklıkta oturuyorsa, öteki uçta dayanak noktasından 0,5 m uzaklıkta oturan 75 kg. ağırlığındaki adamı tam olarak dengeler.
(12,5 x 3 = 75 x 0,5 = 37,5)
Bu örnekteki mekanik verim (direnç/güç) yani 75/ 2,5 eşittir 6’ya. Bu verim, dayanak noktasında gücün uzaklığını, direncin dayanak noktasından uzaklığına bölerek de hesaplanabilir, bu örnekte, 3 / 0,5 gene 6’ya eşittir.
Direncin uzaklıkla çarpımına direncin momenti (iki bu bir kuvvettir) denir. Denge durumunda direnç tarafındaki moment güç tarafındakine eşittir. Eğer bir moment ötekinden büyük olursa, bir döndürme kuvveti oluşur ve tahterevallinin o ucu aşağı iner.
Rampa ve Kamaların Kullanımı
Eski mısırlılar piramitleri, ya da tunç devri insanları stonehenge’i yaparken, dev taşları birkaç metre yüksekliğe kaldırma sorunuyla karşılaştılar. Ağır bir nesneyi eğimli bir yerde yukarı itmenin, doğrudan kaldırmaktan çok daha kolay olduğunu bildikleri için, büyük olasılıkla taşları yukarı sürükledikleri (belki ağaç gövdesinden silindirler üstünde) uzun toprak rampalar yaptılar. İş bittikten sonra rampalar kaldırılıyordu. Fizikçiler, böyle bir rampaya “eğik düzlem” derler.
10 tonluk bir kütleyi dikey olarak kaldırmak 10 tonluk bir çaba gerektirir. Ama sürtünme hesaba katılmazsa, aynı kütleyi 1/20’lik bir eğim boyunca itmek ya da çekmek için yalnızca yarım ton kadar bir çaba gerekir. Bir metre yükseltebilmek için yükün 20 metre kadar ilerletilmesi gerekir, yani kaldıraçlarda olduğu gibi, önemli bir mekanik verim sağlamak için, küçük bir direnç hareketine karşılık büyük bir güç hareketi gereklidir. Tasarruf edilen güç miktarını, rampa yüksekliğinin, eğimin uzunluğuna oranı belirler, modern teknoloji uzun rampaları sarmal duruma getirerek yer kazanımı sağlar.
Bir yükü hafifçe kaldırmak için (sözgelimi, altından bir ip geçirmek için) altına bir kama sokulabilir. Kama, sırt sırta yapıştırılmış iki eğik düzleme benzer. Ancak, istenilen hareketi sağlamak için yükü yüzey üstünde yukarı itmek yerine, yüzey yükün yanından itilir. Sözgelimi bir çatlağa kama sokarak çok büyük bir kuvvet uygulanabilir. Saplama kalemi, pulluk ve havalı matkap gibi bir keski ya da balta da bu ilkeden yararlanır.
Vidalar sarılmış kamalar
Vida dişleri, silindir çevresine sarılı eğik düzlemler olarak düşünebilir sarmal adı verilen bu şeklin geometrik yapısı M.Ö. 200 yıllarında yunan matematikçisi Perga’lı Apollonius (M.Ö. III. y.y.) tarafından incelenmiştir. Archimeden ise, dış açma makinesi bulmuş ve vidayı ünlü “archimedes vidası” denilen su pompasında temel ilke olarak kullanmıştır.
Tıpkı bir kamanın bir nesne içine çekiçle çakılabildiği gibi bir vidanın sarmal kaması da döndürülerek sokulur. Döndürme hareketi bir kaldıraç gücü gerektirir. (bir tornavida ya da somun anahtarı) ve basit görünen vida, kullanım açısından kaldıraç ile kamayı birleştiren bir “makine”dir.
Bir vidanın dişleri arasındaki uzaklığa vida adımı adı verilir adım, karşılığı olduğu eğik düzlem eğiminin bir ölçüsüdür. Bir tam dönüşte vida, kendi vida adımına eşit bir uzaklık kadar ilerler. Vidayı döndüren kaldıracın uzunluğunun vida adımına /mü mekanik verimi verir. Konik bir tahta vidasının kama biçimindeki kısmı, kütüğe giriş sırasında kamanın başka bir kullanılışını açığa çıkarır. Kendi yuvalarını açan vidalar, (önemli bir kuvvet gerektirerek) madenin içinde ilerlerken sarmal bir diş keserler.
Vida dişlerinin başka uygulamaları mengene, tirbüşon, kriko, gemi ve uçak pervaneleri ve çeşitli tip vanalarda görülür en yaygınları vida somunu ve cıvatalardır.