単純な機械：履歴、特性、タイプ、例 - 技術 - 2025

シンプルなマシンは、力の大きさや向きを変える機械的なデバイスです。それらは一般に、力を増加させるためにてこ比とも呼ばれる機械的利点を使用する最も裸骨の装置として定義できます。

歴史を通じて、人間は仕事を容易にするためにさまざまな装置を開発してきました。最も重要なものは、レバー、ホイールとシャフト、プーリー、傾斜面、くさび、ねじの6種類の単純な機械として知られています。

ソース：ジョンミルズ

機械という言葉を聞くと、掘削機や蒸気機関のようなものを思い浮かべます。しかし、科学では機械は力を大きくするものです。

機械は、負荷の移動距離が比例して減少する代わりに、生成される力の量を増やすことができます。機械的な利点は、発生する力と加えられる力の関係と呼ばれます。

単純な機械は、単一の負荷力に抗して作用する単一の適用力を使用します。摩擦損失を無視すると、荷重に対して行われる仕事は、加えられた力によって行われる仕事と等しくなります。

エレメンタルブロック

シンプルなマシンは至る所にあり、シンプルなタスクを実行するために毎日使用されています。それらはまた、人間の存在の初期の頃から使用されてきました。

単純なマシンは、すべてのより複雑なマシンを構成する基本ブロックと見なすことができ、複合マシンと呼ばれます。

自転車の機構では、例えば、プーリー、レバー、ホイールが使用されます。複合機械の機械的利点は、それを構成する単純な機械の機械的利点の結果にすぎません。

しかし、それらは力学および応用科学において非常に重要であると見なされ続けていますが、現代の力学では、すべての機械を構成する基本ブロックとしての単純な機械のビジョンを超えています。

歴史

最初のアイデア

紀元前3世紀頃。C.は、ギリシャの哲学者アルキメデスとともに単純な機械のアイデアを生み出しました。彼は次の単純な機械を研究しました：レバー、プーリー、ねじ。

彼はレバーで機械的利点の原理を発見しました。レバーに関する彼の有名なコメント「私に傾ける場所を与えて、私は地球を動かします」は、機械的な利点を使用して達成できる力の増加の量に制限はなかったという彼の理解を表現しています。

後にギリシャの哲学者は5つの古典的な単純な機械を定義し、彼らが持っている機械的な利点を計算することができました。

たとえば、彼の著作「力学」で、アレクサンドリアのヘロン（西暦10〜75年）は、動いている荷重を設定できる5つのデバイス（プーリー、ホイールとシャフト、レバー、ねじ、およびくさび）をリストし、それらの製造と使用を詳述しています。

しかし、ギリシャ人の知識は、力学、力の概念、力と距離のトレードオフを含まない、単純な機械の静力学（力のバランス）に限定されていました。

ルネサンス期

単純な機械が呼び出されたときの機械力のダイナミクスは、ルネサンス期に、負荷を持ち上げることができる距離の観点から、加えられた力に加えて最終的に新しい概念につながるという観点から研究され始めました機械的作業。

傾斜面の機械的な利点は、1586年にフランダースのエンジニアSimon Stevinによって推定されました。これは、他の単純な機械と一緒に含まれていました。

イタリアの科学者ガリレオガリレイは、1600年に彼の研究Le Meccanicheで単純な機械の完全な動的理論を詳述しました。そこで彼はこれらの機械の力増幅器としての根本的な数学的類似性を明らかにしました。彼は、単純な機械はエネルギーを生み出さなかった、彼らはそれを変換しただけだと説明した最初の人でした。

レオナルドダヴィンチは、機械のすべり摩擦の古典的な規則を発見しましたが、それらは彼の入門書では公開も文書化もされていません。1699年にギヨームアモントンがこれらの規則を再発見し、1785年にシャルルオーギュスタンドクーロンによって開発されました。

特徴

単純な機械とは、可動部分がないか非常に少ないデバイスであり、作業が容易になります。単純な機械の主な機能は、力の増幅または動きの変更です。

動きと力

単純な機械の運動と力は不可分です。それらは常に逆の関係にあります。

レバーによって生成される力は、レバーに加えられる力よりも大きくなりますが、生成される動きは、加えられる動きよりも小さくなります。つまり、強さの増加は動きの喪失を伴います。

ジョブ

力学では、力は彼らが行動している方向に動くときに力が行うものです。つまり、距離を移動する力が加えられると、仕事が発生します。これは数学的に次のように表されます：仕事=力×距離。

たとえば、オブジェクトを持ち上げるには、重力を超えてオブジェクトを上に移動できるようにする必要があります。

オブジェクトを2倍の重量で持ち上げるには、同じ距離を持ち上げるのに2倍の作業が必要です。また、同じオブジェクトを2倍持ち上げるのに2倍の作業が必要になります。

この仕事の概念は、力と運動の観点から単純な機械の機械的機能を定義するための基本であり、力と運動の不可分性を強調しています。

機械的利点

加えられた力に対して仕事をするのは力の関係です。したがって、それは単純な機械の力増幅効果です。

単純な機械の機械的な利点は、オブジェクトを移動するために使用できる力が少ないことを意味しますが、より長い距離を移動する必要があります。

多くの場合、多くの力を必要とするため、タスクは困難であると感じられます。距離と力のトレードオフを使用すると、タスクを完了しやすくなります。

例として、重い物体をランプに押し下げます。オブジェクトを正しい高さまで持ち上げるよりも、ランプを下に押す方が簡単ですが、より長い距離を運ぶ必要があります。

単純な機械とは何ですか？

単純な機械は、以下の機能の1つ以上を実行することにより、作業を容易にします。

-ある場所から別の場所に力を移す。

-力の方向を変更します。

-力の大きさを増やします。

-力の距離を増やします。

単純な機械には多くの異なる形式がありますが、6つの基本的なタイプがあります。

-ウェッジ：物を分離するためのデバイス。

-ホイールとアクスル：摩擦を低減するために、またフォースマルチプライヤーとして使用されます。

-レバー：支点の周りを移動して、機械的な利点を増減します。

-傾斜面：坂を登るときにオブジェクトを持ち上げます。

-ネジ：アイテムを持ち上げたり保持したりできるデバイス。

-プーリー：力の方向を変更します。

適用される力を増加させる

単純な機械は、人間が物体に加える力を増加させるのに役立ちます。それらは、オブジェクトの移動に役立つ機械的な利点を提供します。

作業の公式が示すように、単純な機械の主な利点は、より少ない距離でより少ない力を加えることで同じ量の作業を実行できることです。

たとえば、10キログラムの物体を地面から2メートル持ち上げるとします。10 kgの力を上方向に2メートルの距離でオブジェクトに加えることができるため、20ニュートンの作業を行うことができます。

3メートルのレバーが使用された場合、オブジェクトを一方の端に置き、10 cmの支点をオブジェクトから1メートルの距離でバーの下に置きます。次に、オブジェクトを持ち上げるには、もう一方の端を押し下げますわずか5キログラムの力。

ただし、オブジェクトを2メートルだけ持ち上げるには、レバーの端を4メートル押し下げる必要があります。

トレードオフがあります。レバーを下げると、以前の距離は2倍になりますが、必要な力は半分になり、同じ量の作業を実行できます。

タイプ

レバー

支点が固定された一種の剛体棒です。これは、移動または持ち上げられるオブジェクトである負荷、ピボットである支点、および負荷を移動または持ち上げるのに必要な力である力で構成されます。

レバーの一方の端に力を加えると、もう一方の端に大きな力が発生します。適用される力は、支点から荷重および応力までの距離に応じて増減します。

ホイールとアクスル

それは、より小さな車軸に取り付けられたホイールで構成されているため、これらの2つの部分は一緒に回転し、力が一方から他方に伝達されます。ヒンジがシャフトを支え、回転が可能です。

それは、距離を移動するオブジェクトの作業を容易にします。丸い端であるホイールが円筒軸と共に回転し、動きを引き起こします。

力を増幅することもできます。大きなホイールの周囲に小さな力を加えると、車軸に付いている大きな負荷を動かすことができます。

滑車

ぴんと張ったロープの動きと方向転換をサポートするように設計されています。ロープが車輪を包みます。ホイールが回転すると、ロープは任意の方向に移動します。

フックがロープに接続されている場合、ホイールの回転を使用してオブジェクトを上げ下げすることができ、作業が容易になります。

傾斜面

これは、一端を他の端よりも高くした平面であり、荷重を上げたり下げたりするためのサポートとして使用されます。これらは、垂直の障害物の上を重い荷物を移動するために広く使用されています。

傾斜した平面を上に移動する場合、直接持ち上げる場合よりも力が少なくて済みますが、移動距離が長くなります。

傾斜面の機械的利点は、傾斜面の長さとそれが覆う高さの比に等しい。

クレードル

三角形の工具です。2つのオブジェクトを分離したり、オブジェクトの一部を削除したり、持ち上げたり、オブジェクトを固定したりするために使用できます。

それは、その鈍端に加えられた力をその傾斜面に垂直な力に変換することによって機能します。

機械的な利点は、スロープの長さと幅の関係によって与えられます。

スクリュー

回転運動を直線運動に、回転力（トルク）を直線力に変換する機構です。ねじは本当に別のタイプの傾斜面です。

その最も一般的な形状は、外側に沿ってスレッドと呼ばれるらせん状の溝を持つ円筒形のシャフトで構成されています。

ねじは、ねじ山と噛み合うめねじのある別のオブジェクトまたは媒体の穴を通過します。

例

レバー

レバーの例としては、ドアハンドル、くぎ抜きハンマーの爪、鉄製のレバー、ライトスイッチ、栓抜き、ヒンジなどがあります。

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ホイールと車軸

それらは、扇風機、モーター、回転ドア、カルーセル、およびホイールなど、車内、スケートボード上、または自転車上など、物事が円を描く場所で見られます。

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滑車

それらは、カーテンやブラインドで上下や前後に動かすために使用されます。

彼らは、ポールの旗のように、地面から何かを持ち出すことができます。ロープは引き下げられますが、旗は上がります。

それらはまた、産業で重い荷物を上げ下げするために、船で帆を上げ下げするために、またはクレーンで移動する建設機械で使用するために使用されます。

エレベーターはまた、滑車を使用して車を床から床に上下に移動させます。

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傾斜面

それらはスクーターパーク、車椅子の傾斜路でそしてトラックの後ろにそしてからの重い装置を動かすために使用されます。

ランプの変更されたバージョンは、階段、エスカレーター、遊歩道、さらにはメールをメールボックスにドロップするために使用されるスライド上にもあります。

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クレードル

分離に使用されるウェッジの例としては、シャベル、ナイフ、斧、つるはし、のこぎり、はさみ、アイスピックなどがあります。

ステープル、ピン、鋲、釘、または戸当たりのように、くさびは物をまとめて保持することもできます。

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スクリュー

いくつかの例は、ドリル、瓶のふた、電球、ボルト、ボトルキャップ、蛇口、ペンです。

スクリューのもう1つの用途は、スクリューポンプと呼ばれる装置です。水中に入るのは巨大なネジ型の油圧機械です。回転すると、ねじの形状のおかげで、水はねじれたシャフトを上昇し、必要な場所まで上昇します。スクリューポンプは、灌漑や農場などの農業環境でよく使用されます。

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