Jednoduché stroje

Naklonená rovina, klin a skrutka

Pri využívaní jednoduchých strojov, obzvlášť pri naklonenej rovine, často nejde o znižovanie vynaloženej práce. Ide o zníženie výkonu, ktorý musíme vynaložiť. Ak stúpame do vrchu po serpentínach, ide to síce jednoduchšie ako po strmej ceste, ale výkon trvá dlhšie. Efektívnosť využívania naklonenej roviny vysvetlíme na príklade. Ak ťaháme 50 kg náklad do výšky 5 metrov po naklonenej rovine dlhej 10 metrov, používame pri tom polovičný výkon, ktorý by sme potrebovali na vytiahnutie tohto bremena priamo hore do výšky. Nižší výkon je však vynakladaný dlhšiu dobu.

Klin

Klin je možné chápať ako dve naklonené roviny uložené opačne k  sebe. Aj keď priame využitie tohto princípu nie je tak časté a  vyskytuje sa už iba v  špecifických odvetviach (štiepenie dreva klinom), v skutočnosti sa princíp využíva pomerne často, napríklad v aerodynamike. Je to oblasť, ktorá sa zaoberá analýzou prieniku predmetov v tekutinách (vo vzduchu, vo vode).Aj tu ide o dosahovania lepšieho výkonu použitím rovnakého množstva sily. Nové dizajny áut sú testované v prúdovej komore, kde sa sleduje, ako auto dokáže prenikať vzduchom. Čím je tvar „klinovejší“, tým ľahšie auto preniká vzduchom a sila motora je efektívnejšie využívaná na pohyb vpred (t. j. prenikanie cez vzduch). Klin nachádzame tam, kde potrebujeme jednoduchším spôsobom prenikať do materiálu, či už plynného, kvapalného alebo pevného. Princíp klinu využíva napríklad nôž, rezačka na papier, strúhadlo na ceruzky, ihly, pletacie ihlice, klince. Základný princíp naklonenej roviny využíva aj skrutka, ktorá sa prednostne používa (podobne ako klin) na ľahšie preniknutie do materiálu. Okrem toho je možné klin používať aj na zaistenie predmetov proti pohybu, napríklad klinová zarážka do dverí. Rôzne svorky, klince a  spony tiež môžu využívať princíp klinu, pričom sa používajú na zaistenie predmetov, v princípe však pomocou naklonenej roviny do predmetu prenikajú. Oproti klinu má však stočená naklonená rovina v podobe skrutky širšie využitie.

Skrutka

Skrutka je v  princípe stočená naklonená rovina. Umožňuje pohyb zospodu smerom hore pomocou rotačného pohybu.Výhodou je to, že v porovnaní s klasickou naklonenou rovinou zaberá menej horizontálneho priestoru. Okrem klasického využitia skrutky na spojenie dvoch materiálov sa princíp skrutky využíva napríklad pri konštrukcii točitého schodiska, serpentínových ciest vo vrchoch, zverákov, stoličiek s  nastaviteľnou výškou, nastaviteľných francúzskych kľúčov, závitových vrchnákov na pohároch a fľašiach, v žiarovkových objímkach, vrtákoch, vodovodných kohútikoch, ale aj v guľôčkových perách.Niekedy sa skrutka využíva menej typicky, napríklad ako lodná skrutka Naklonená rovina, klin a skrutka Klin Skrutka alebo turbína lietadla. Pohybom skrutky v tekutine (plyne alebo kvapaline) je možné hýbať predmetom vpred. V iných prípadoch sa skrutka ponorí do vody a rotáciou vodu vynáša (pumpuje) tam, kde sa využíva. Takéto pumpy sa často používajú na farmách na zavlažovanie alebo na odvodňovanie. Špecificky upravené skrutky môžu vynášať pevné, kvapalné aj plynné látky z jedného miesta na druhé. Ak ide o pevný materiál, zvyčajne hovoríme o vrtákoch, ak ide o tekutiny, hovoríme o pumpách. V prípade, že skrutku využívame na zdvíhanie predmetov, uľahčuje prácu najviac zo všetkých používaných jednoduchých mechanizmov. Aj veľmi slabý človek dokáže zdvihnúť auto pomocou zdviháka fungujúceho na princípe skrutky. Podobne ako v prípade naklonenej roviny, aj tu sa množstvo vykonanej práce rozkladá na dlhšiu vzdialenosť – zdvihákom zdvíhame auto veľmi pomaly, po malých kúskoch. Čím hustejší je závit, tým menej sa pri práci so zdvihákom namáhame.

Rovnaký princíp platí aj pri zavŕtavaní skrutky do dreva (či iného materiálu). Kým zatiahneme skrutku jedenkrát okolo vlastnej osi, zaryje sa do dreva len o  malý kúsok, presne o vzdialenosť medzi dvoma závitmi na skrutke. To znamená, že čím je závit hustejší, tým je priťahovanie jednoduchšie, aj keď trvá dlhšie. Z toho vyplýva, že do tvrdšieho dreva sa zvyčajne používajú skrutky, ktoré sa ľahšie priťahujú – teda tie, ktoré majú rozstup závitov menší. Tento rozstup sa nazýva stúpanie závitu. Ak si vezmeme dve skrutky rovnakej dĺžky, ale rôzneho stúpania závitu, môžeme pozorovať, že skrutky sa líšia počtom závitov na tú istú dĺžku skrutky. Ak si vezmeme dve rôzne točité schodištia, ktorými chceme vystúpiť do tej istej výšky, zistíme, že na jednom schodisku je stúpanie namáhavejšie, a to na tom, na ktorom sú vyššie schody, pričom sa na tomto schodisku otáčame okolo osi schodiska menej krát. 

Typy skrutiek

Skrutky sa používajú na spájanie dreva (a podobných materiálov), ale aj kovu. Podľa toho odlišujeme samorezné a metrické skrutky:

Samorezné sú skrutky do dreva– majú ostrý špic, väčšie rozstupy v závitoch a nevyžadujú maticu. Používajú sa tak, že sa pomocou nástroja (skrutkovača) zavŕtavajú priamo do spájaného materiálu. Metrické skrutky sa používajú tak, že v  materiáli musia byť najskôr predpripravené diery, do ktorých sa vsádzajú skrutky, ktoré sa z opačnej strany uchytia maticou(dutým valcom s  vnútorným závitom). Z  uvedeného je zrejmé, že oba typy skrutiek síce fungujú na tom istom princípe jednoduchého stroja, ale pri spájaní materiálov používajú iné vlastnosti spájaných materiálov. Zaujímavé je aj používanie nástrojov, pomocou ktorých skrutkou v materiáli hýbeme. Ide o skrutkovače, ktoré pracujú na princípe páky.Čím hrubšia je rúčka, tým ľahšie sa so skrutkou pracuje.

Páka

Praktické využitie páky je známe od nepamäti. Jedným z prvých premyslených využití bol katapult(neskôr aj zložitejší trebuchet), ktorým bolo možné na pomerne veľkú vzdialenosť hádzať kamene (neskôr aj výbušné zariadenia, horiace predmety, ale aj včelie úle) do nepriateľa.

Fúrik je typickým príkladom páky druhej triedy.Príkladom dvojitej páky tejto triedy je napríklad luskáčik na orechy. Pevný bod je umiestnený na začiatku páky. Odpor pôsobí v blízkosti pevného bodu a my musíme pôsobiť na opačný koniec páky proti pôsobeniu odporu. Je to akoby sme chceli pomocou tyče odvaliť kameň z cesty. Čím bude tyč dlhšia, tým ľahšie to pôjde; čím budú ramená luskáčika dlhšie, tým ľahšie orech rozlúskneme. 

Pákou tretej triedy je umiestnenie pevného bodu na kraji páky, pričom sila pôsobí v blízkosti pevného bodu a odpor pôsobí opačným smerom na konci páky. Typickým príkladom je používanie predlaktia. Ak niečo držíme v ruke, lepšie to udržíme, ak lakeť oprieme o stôl – pevný bod a zdvihnúť to môžeme len pôsobením sily s opačným pôsobením ako pôsobí závažie v ruke. Čím bližšie k pevnému bodu táto sila pôsobí, tým menej sily potrebujeme; používame biceps v  ramene. Inými príkladmi využívania páky tretej triedy sú tenisová raketa, udica, metla, mucholapka. V tomto type páky sa sila zamieňa za rýchlosť a vzdialenosť. Ak napríklad chce rybár pomerne rýchlo pohybovať háčikom na udici, môže to robiť aj len veľmi nepatrným pohybom udice v ruke. Dvojitá páka tejto triedy sa používa napríklad pri pinzete, klieštikoch na cukor. 

Koleso a os, hriadeľ a ozubené kolesá

Koleso sa vždy považovalo za najväčší objav ľudskej histórie. V skutočnosti by však nemalo takmer žiadne využitie bez napojenia na os.Os je palica alebo tyč, ktorá prechádza stredom kolesa a umožňuje kolesu voľne sa okolo nej otáčať. Ak roztáčame os, roztáča sa aj koleso a naopak. Týmto spôsobom vieme využiť silu na pohyb. Kolesá sa nachádzajú vo všetkých zariadeniach, ktoré vykonávajú rotačný pohyb (ale nielen v nich), napríklad vo féne, motore auta, kolotočoch, na bicykli a pod. Špecifické využitie majú ozubené kolesá. Sú to kolesá, ktoré majú na okraji v pravidelných intervaloch zuby.Ak do seba zapojíme viac ozubených kolies, vieme prenášať pohyb z jedného kolesa na druhé. V prípade, že nie sú kolesá rovnako veľké, vieme prepojením týchto kolies pohyb osi kolesa zrýchľovať alebo spomaľovať.

Tým, že umiestnime na otočnú os rúčku zdviháka ďalej od osi otáčania, znižujeme veľkosť potrebnej sily na potočenie. Namiesto rúčky zdviháka je možné použiť väčšie koleso. Napríklad v porovnaní so strúhadlom na ceruzky, mlynček na mäso potrebuje väčšiu rúčku, aby sa s ním dalo dobre pracovať. Tento rozdiel je možné pochopiť na základe porovnania vzdialenosti medzi miestom pôsobenia sily a miestom odporu sily. Prostredníctvom toho istého princípu je možné vysvetliť aj to, prečo sa väčším volantom točí ľahšie ako menším. Kombinácia kolesa a osi môže ich funkciu pozmeniť použitím remeňa, reťaze a ozubených kolies. Bicykel je príklad kolies a  osí prepojených pomocou reťaze. Tým, že sú spojené reťazou, jedným otočením veľkého kolesa sa malé koleso otočí niekoľko krát okolo vlastnej osi. Prevodom ozubených kolies tak môžeme meniť rýchlosť pohybu častí, ktoré sú pripojené na osiach ozubených kolies. Mechanická výhoda dvoch ozubených kolies spojených reťazou sa dá vypočítať pomerom počtu zubov na jednom a druhom kolese.

Kladka

Pevná kladka mení smer pôsobiacej sily. Pohyblivá kladka znižuje potrebné množstvo úsilia na vytiahnutie nákladu – zjednodušuje prácu.Ako z názvov vyplýva, pevná kladka je pripevnená k nehybnému objektu (pevnému bodu) a pohyblivá kladka sa pohybuje buď vertikálne, alebo horizontálne podľa spôsobu jej použitia.

Kladkostroj

Kladkostroj je systém pevných a pohyblivých kladiek. Najjednoduchší kladkostroj je zostavený z jednej pevnej a jednej pohyblivej kladky.Ďalším pridávaním kladiek efektívne znižujeme silu potrebnú na zdvihnutie nákladu. V ľahkej práci nám môže postupne brániť skôr trenie špagátu o  koleso kladky. Trenie je možné znižovať napríklad pomocou naolejovania trených plôch. Mechanickú výhodu použitia kladiek je možné pomerne jednoducho počítať. Kladkostroj s dvoma kladkami uľahčuje prácu dvakrát, kladkostroj s tromi kladkami uľahčuje prácu trikrát a podobne.

Kľukový hriadeľ

Kľukový hriadeľ je iným typom spojenia hriadeľa a kolesa a zvyčajne sa využíva tam, kde je potrebné meniť smer pôsobenia sily alebo meniť vratný pohyb na rotačný. V súčasnosti sa využíva napríklad na prenos rotačného pohybu v motore auta na pohyb tam a  späť v  piestoch. Kľuka je na točiacom sa kolese umiestnená zvyčajne na okraji. Tým, že sa koleso točí, pripojená kľuka spôsobuje pri špecifickej konštrukcii pohyb (napríklad piestu) tam a späť. Podobne sa mení pohyb nôh tam a späť na pedáloch bicykla na rotačný pohyb kolesa bicykla. Pomerne známym využitím kľukového hriadeľa je aj píla.V minulosti bola píla poháňaná napríklad pomocou vodného kolesa. Roztočené vodné koleso prenášalo svoj rotačný pohyb na koleso, na ktorom bola upevnená kľuka. Tá rotačný pohyb kolesa menila na vratný pohyb píly tam a späť.

Opačnú zmenu pohybu, z pohybu parného piestu tam a späť na rotačný pohyb kolies, využívali parné lokomotívy.Zahrievaním vody vznikala vodná para, ktorá vytláčala piest a ten spôsoboval pohyb kolesa. Vo vytlačenej pozícii piesta para unikla, piest sa vrátil späť a dej sa mohol cyklicky opakovať. 

Západka a jej využitie

Pri konštrukcii rôznych zariadení niekedy potrebujeme, aby sa stroj alebo jeho časť pohybovala len jedným smerom, napríklad na turniketoch, ktoré sa nesmú pohybovať späť. Zvyčajne sa v týchto zariadeniach používa západka. Tá je tvorená ozubeným kolesom so samotnou západkou – pákou, ktorej koniec zapadá do zubov ozubeného kolesa tak, že pri pokuse o spätné otočenie kolesa západka zabráni otočeniu.Samotné ozubené koleso má zuby prispôsobené západke (sú oblé so sklonom). Takémuto ozubenému kolesu hovoríme aj rohatka.

Západky sa využívajú napríklad aj v kyvadlových hodinách na posúvanie ozubených kolies. Tým, že kyvadlo sa kýva tam aj späť, pričom my potrebujeme, aby sa ručičky na hodinách pohybovali len jedným smerom, potrebujeme západku, ktorá pri spätnom kmite kyvadla zabezpečí neotočenie rohatky a na ňu napojených ozubených kolies. Západka sa tiež využíva na roletách, ale aj na bezpečnostných pásoch v  autách. Mechanizmus bezpečnostných pásov je o  niečo zložitejší, pretože zastavenie pohybu pásu je potrebné aktivovať pri náraze. Zvyčajne sa na západku umiestňuje závažie. Závažie sa pri náraze auta pohne vpred a aktivuje západku. Veľmi známym využitím západky je rohatkový kľúč a tiež sťahovacia páska(tzv. páska SK). Na plastovej alebo kovovej páske sa nachádzajú rohatkové zuby po celej jej dĺžke, pričom na konci sa prevlečie cez pásku očko, v ktorej je umiestnená západka. Páska sa používa na zväzovanie vecí. 

Kombinácie jednoduchých strojov

Mnohé zariadenia fungujú na princípe kombinácie dvoch aj viacerých jednoduchých strojov.Príkladom takéhoto nástroja sú napríklad nožnice. Kým ostrie využíva princíp klinu, ramená nožníc využívajú princíp páky. Sekačka na trávu využíva kombináciu klinu (čepele), kolesa a osi, na ktorú sú čepele napojené. S určitosťou by sme na tomto nástroji našli aj ďalšie jednoduché stroje. Aj veľmi komplikované stroje je možné v princípe rozložiť na súbor jednoduchých strojov, ktoré vzájomným pôsobením vytvárajú výsledný efekt nástroja. 

Rube Goldbergov stroj

Rube Goldberg žil v rokoch 1883 až 1970 a v téme jednoduchých strojov sa preslávil jeho zložitou sústavou jednoduchých strojov, pomocou ktorých uskutočnil jednoduchý úkon, vypustenie vtáka z klietky. V konštruovaní Rube Goldbergových strojov sa pravidelne usporadúvajú súťaže. Princípom súťaže je napríklad zapnúť svetlo alebo hriankovač čo najzaujímavejším a najinovatívnejším spôsobom s využitím kombinácie rôznych jednoduchých strojov. Vyhráva zvyčajne najunikátnejší spôsob.