Günlük hayatta iş yapılmasını kolaylaştıran araçlara basit makineler denir. Basit makineler çok az parçadan oluşur ve tek bir kuvvet çeşidini kullanır. Kaldıraç, makara, palanga, eğik düzlem, çıkrık, dişli çark, kasnak, vida, kama, tekerlek basit makine çeşitleridir.
Basit Makinelerin Özellikleri :
1- Basit makineler, üzerine uygulanan kuvvetin doğrultusunu, yönünü, büyüklüğünü (şiddetini) ve uygulama (etki) noktasını değiştirir.
2- Basit makinelerde hiçbir zaman yapılan işten ya da harcanan enerjiden kazanç sağlanmaz. Sadece işin yapılma hızını değiştirir.
3- Basit makinelerde bir enerji türü, başka bir enerji türüne dönüştürülür.
4- Basit makinelerde sürtünmelerden dolayı yapılan işten ya da harcanan enerjiden kayıp vardır.
5- Basit Makineler iş (denge veya moment) prensibine göre çalışırlar. Basit makinelerde, (makineye) uygulanan kuvvetin yaptığı iş, yükün yaptığı işe eşittir.
İŞ PRENSİBİ :
Kuvvetin Yaptığı İş = Yükün Yaptığı İş
Kuvvet x Kuvvet Kolu = Yük x Yük Kolu
6- Basit makineler genelde küçük kuvvetlerle büyük yükleri dengelemek için kullanılır (yapılır). Bu nedenle basit makinelerde genelde kuvvetten kazanç sağlanır. Basit makinelerde dengelenen yükün uygulanan kuvvete oranına kuvvet kazancı (kk) veya mekanik avantaj denir.
Basit Makine Çeşitleri :
a) Kaldıraçlar :
Sabit bir nokta etrafında serbestçe dönebilen sistemlere kaldıraç denir.
• Kaldıraçlarda iş (denge veya moment) prensibi destek veya dönme noktasına göre alınır.
• Kaldıraçların ağırlığı varsa bu ağırlık kaldıracın orta noktasında aşağı doğru gösterilir. (Homojen kaldıraçlar için).
• Kaldıraçlar, desteğin, yükün ve uygulanan kuvvetin bulunduğu yere göre üç çeşittir.
1- Destek Arada (Çift Taraflı Kaldıraçlar) :
• Kuvvet x Kuvvet Kolu = Yük x yük kolu
F . a = P . b
• Kuvvetten kazanç sağlanması için kuvvet kolunun yani uzunluğunun, yük kolundan yani uzunluğundan büyük olması gerekir.
Örnek : Makas, pense, kerpeten, tahterevalli, keser (çivi çekerken), eşit kollu terazi, kayık küreği.
2- Destek ve Yük Uçlarda (Tek Taraflı Kaldıraçlar) :
• Kuvvet x Kuvvet Kolu = Yük x Yük Kolu
• Kuvvetten kayıp, aynı oranda yoldan kazanç vardır.
Örnek : Maşa, cımbız, kaşık, çene, insan kolu, kürek, tenis raketi, olta.
3- Destek ve Kuvvet Uçlarda (Tek Taraflı Kaldıraçlar) :
• Kuvvetten kazanç, aynı oranda yoldan kayıp vardır.
Örnek : El arabası, gazoz açacağı, zımba, delgiç, ceviz kıracağı, kapı.Makaralar
Makaralar da iş yaparken bir takım kolaylıklar sağlayan basit makinelerdendir. Günlük yaşamda en fazla gördüğümüz şekliyle inşaatlarda harç, tuğla ve diğer yapı malzemelerini taşımak için kullanılmaktadır. Makaralar değişik tiplerden oluşmaktadır. Sabit, hareketli ve palanga makaralar olarak kullanılmaktadır.
Sabit Makaralar
Bir yere monte edilmiş şekilde kullanılan makaralardır. Kullanımda kuvvetin yönünü değiştirme özelliği vardır. Bu makaralar kuvvetten kazanç sağlar. Yükü kaldırmak için yüke eşit bir kuvvet kullanılır. P yükünü kaldırmak için ipin ucunu h kadar çekmek gerekir. Bu işlemde yükün kazanacağı enerji, kuvvetin yaptığı işe eşit olacağından formül şu şekilde oluşur;
P x h = F x h ise P = F olacaktır. Yani kuvvet = yük'tür. Sabit makaralarda kuvvetten ve yoldan kazanç yoktur.
Hareketli Makaralar
Hareketli makaralar, yükün makaranın eksenine asıldığı sistemlerdir. İpin bir ucu tavana asılır diğer uç ise kuvvet kullanılacak olan uçtur. Bu sistemde yük ve makara birlikte yükselir veya alçalır. Hareketli makaralarda yükü kaldırmak için uygulanacak kuvvet yükün yarısına eşdeğerdir. Yani F = P/2 şeklinde formülleştirilebilir. Hareketli makaraya bağlı olan bir yükü kaldırmak için ipi 2h kadar çekmek gerekir. Hareketli makaralarda enerjiden kazanç sağlamaz. Çünkü yük kuvvetin yaptığı iş kadar enerji kazanmaktadır.
Hareketli makaralar, sabit makaralarda olduğu gibi kuvvetin yönünde değişiklik meydana getirmez. Sabit makara ile kaldıramadığımız birçok yükü hareketli makaralar ile kaldırabiliriz. Örneğin 10 N'luk bir yükü kaldırmak için 5 N kuvvet uygulamak yeterlidir. Fakat yükü 2 metre yükseğe çıkarmak için 4 metre ip kullanmak gerekmektedir.
Palanga
Hareketli ve sabit makaraların birlikte kullanıldığı sistemlerdir. Palangalar hem kuvvetten kazanç sağlar hem de uygulanan kuvvetin yönünü değiştirir. Palangalar ile çok büyük kuvvetleri hareket ettirmek mümkündür. Bir palangada ne kadar çok ip ve makara kullanılırsa uygulanacak kuvvet de o kadar artacaktır. Palangaların kaldıracağı kuvvet miktarını belirlemek için bu sistemde kullanılan ip sayıları ile makaraların toplam yükü ile taşınacak yükün toplamı hesaba katılır. Bu ifadeyi formülleştirecek olursak;
Kuvvet = Toplam yük / İp sayısı yani F = P / n diyebiliriz.
EĞİK DÜZLEM
Farklı malzemeler yapılan ve yere belirli bir açı ile yerleştirilen düzeneklerdir. Bir eğik düzlem oluşturmak için bir kalasın bir ucunu yere diğer ucunu 10-20 cm yukarıya kaldırmak yeterlidir. BU sistem basit bir eğik düzlemi meydana getirir.
Eğik düzlem sistemini bir formül ile ifade edecek olursak; yükü P ile, uygulanacak kuvveti F ile sürtünmesiz eğik düzlemin uzunluğunu L ile ve Eğik düzlemin bir yere dayalı olan ucunu h ile ifade ettiğimizde F x L = P x h formülü ortaya çıkacaktır. Bu formülü açıklayacak olursak; Uygulanan kuvvet ve eğik düzlemin uzunluğu, P x h kadar iş yaparlar. Eğik düzlemde işten kazanç olmaz, kuvvetten kazanç olur.
Eğik düzlem sisteminde kuvvetin yüke olan oranı, eğik düzlemin yüksekliğinin eğik düzlemin boyuna olan oranına eşittir. Yani
Eğik düzlem üzerindeki yük h kadar yükseldiğinde Ep = P x h kadar potansiyel enerjiye sahip olur. Bu durumda kuvvet F x L kadar bir iş yapma durumundadır.
Dişli Çarklar ve Çıkrık
Çıkrık
Çıkrıklar, aynı eksen etrafında birlikte dönebilen iki veya daha fazla silindirden meydana gelirler. Bu sistemde yük küçük çaplı silindire bağlı iken kuvvet çapı büyük olan silindire etki eder. Çıkrıklar, kuyulardan su çekmek, tekstil fabrikalarında tezgahlarda ve eskiden yün eğirmek amacı için sıklıkla kullanılan basit makinelerdir.
Çıkrıkların çalışma sisteminde kuvvet ve yük arasındaki ilişkiyi göstermek için kuvvet ile çıkrık kolunun çarpımı, yük ile küçük silindirin yarı çarpımına olan eşitliğinden yararlanılır. Yani
Çıkrık sisteminde çıkrık kolu, küçük silindirin yarı çapından büyük olduğundan, uygulanan kuvvet yükten daha küçük olur. Yani çıkrıklarda kuvvetten kazanç sağlarlar ama işten ve enerjiden kazanç olmaz.
Çıkrık koluna uyguladığımız kuvvet, çıkrığın dönmesini sağlar. Bu dönme esnasında ip kovanın asılı olduğu küçük silindire dolanır ve yük yukarı doğru çıkar. Yukarıdaki formülden de çıkarılabileceği gibi çıkrıkta kuvvetle yükün oranı 1'den küçük olduğundan daha küçük kuvvetlerle büyük yükler kaldırılabilir. Çıkrıklarda diğer basit makinelerde olduğu gibi kuvvetten kazanç sağlanırken iş veya enerjiden kazanç sağlanmaz.
Dişli Çarklar
Bazı sistemlerde birden daha fazla çıkrığın bir arada kullanılması gerekmektedir. Çünkü yük tek çıkrıkla kaldırılamayacak kadar büyük olabilir veya sistem daha rahat çalışır. Dişili çarklarda kuvvetten kazanç yanında hareketin yönünün değiştirilmesi gerçekleşmektedir. Bu sistemde bir çıkrığa uygulanan kuvvet diğer çıkrığa aktarılır ve dönme sağlanır. Bu tip basit makinelere örnek olarak bisikletler, dikiş makineleri, vinçler, saatler, taşıtlar verilebilir.
Yukarıdaki örnekte ilk çark saat yönünün tersine doğru döndürülürse ikinci çark saat yönünde dönecektir. Bu çarka bağlı olan diğer çark da yine saat yönüne ters istikamette dönecektir. Bu şekilde birçok çark birbirine bağlanarak sistemler oluşturulur ve hareketin yönü değiştirilerek daha az kuvvet ile iş yapma imkanı doğar.
Bir sistemdeki çarklardan bir tanesini yarıçapı diğer çarkın 5 katı ise yarı çapı büyük olan 1 devir yaparken yarı çapı küçük olan 5 devir yapar. Bir çark sisteminde r1 yarıçaplı çarkın devir sayısına n1 denilirse, yarıçapı r2 olanın devir sayısı n2 olacaktır. Bunu formülleştirecek olursak şu şekilde olacaktır:
Dişli çarklarla büyük yükleri daha küçük kuvvetler kullanarak kaldırma imkanımız vardır. Bu basit makinelerde kuvvette kazanç sağlarken enerji veya işte kazanç sağlamazlar.
Kama ve Vida
Uçları üçgen bir şekilde olan ve baltaya benzeyen cisimlere kama denir. Bu basit makineler metalden veya tahtadan yapılırlar ve kesicidirler. Bir nesne kesilmek istendiğinde kamanın keskin ucu bu noktaya konulur ve üst kısmına sert bir cisimle vurularak basınç oluşturulur böylece nesne kesilir.
Vida ise yine metal veya tahtadan yapılan ve bazı cisimleri birbirine tutturmak veya monte etmek amacı için kullanılan basit makinelerdir. Vidalar üst kısımlarındaki yarıklara tornavida sokularak döndürülür ve istenilen kısımlara tutturulur. Birçok eşyanın ve aracın bir araya getirilmesinde vidalar kullanılır.
Enerjinin korunumu ikesine göre; vida başının yaptığı iş, ucunun yaptığı işe eşittir:
Vida 1 tur attığında vida ucu zeminde a kadar yol alacağından;
F x (2πr) = N. a
r: Vida başının yarıçapı(kuvvet kolu)
a: Vida adımı (ardışık iki diş arası uzaklık)
N: Zeminin tepki kuvveti
Tekerlek
Cisimleri daha kolay ve rahat hareket ettirmek için ilk geliştirilen araçlardan bir tanesi tekerleklerdir. Tekerleğin icadı ile cisimlerin taşınması daha kolaylaşmış ve bu icat birçok yenilik getirmiştir. Hayatımızdaki birçok cisimde tekerlekler kullanılır. Elektrik süpürgeleri, bisiklet, arabalar, masalar farklı biçimlerde tekerlekler kullanılarak üretilen araçlardır. Tekerleklerde, birçok aracın çalışmasında gücün ve hareketin iletilmesi için kayışlardan faydalanılır.
Tekerleklerin bazılarının yüzeyleri düz iken bazılarının dişlilere sahip olduğu bilinmektedir. Bu dişliler zemin ile tekerlek arasındaki sürtünme miktarını artırarak aracın daha kolay kontrol edilmesini sağlar. Dişli olmayan tekerleklerin sürtünmesi düşük olacağından araç durdurulmak istendiğinde güçlük çekilmektedir. Arabalarda kışın daha derin dişlilere sahip tekerlekler kullanılır. Neden?
Kasnaklar dişleri olmadığı için kayış ya da iple birbirlerine bağlanırlar.
Devir sayıları yine yarı çapları ile ters orantılıdır.
f1 . r1 = f2 . r2
Dönme yönleri ise şekilde görüldüğü gibi kayışların bağlanma şekline göre değişir.