Günlük yaşantımızda kuvvetin yönünü, doğrultusunu ve değerini değiştirerek iş yapmamızı kolaylaştıran, çok az parçadan oluşan ve yalnızca tek bir kuvvet çeşidini kullanan araçlardır. Genelde daha basit yükü küçük kuvvetle dengeleme esasına dayanırlar.
İş ya da enerjiden kazanç sağlayan basit makine yoktur. Sadece işin yapılma hızını değiştirebilir, bir enerji türünü, başka bir enerji türüne çevirebilirler.
Basit makine ile aynı anda kuvvetten, hızdan ve yoldan kazanç sağlanmaz. Birinden kazanç varsa diğerlerinden aynı anda kayıp vardır.
Basit makinenin bir kuvvet kazancı vardır. Buna mekanik avantaj da denir. Yükün kuvvete oranı kuvvet kazancı olarak tanımlanır. (Bu oran birden büyükse kuvvetten kazanılır, birden küçükse yoldan kazanılır.)
Kuvvetin büyüklüğünü arttıran makineler: Cımbız, pense, tornavida, gazoz açacağı Kuvvetin yönünü değiştiren basit makineler: Tahterevalli, sabit makara, kapı kolu Sürat değiştiren makineler: El mikseri, el matkabı
KALDIRAÇLAR
Kaldıraç; sağlam bir destek noktasına değecek şekilde uzatılmış uzun bir çubuktan oluşur. Sağ ya da sol ucundan kuvvet uygulandığında, karşı taraf ters yönde aşağı ya da yukarı doğru hareket eder. Kuvvet hangi uçtan uygulanırsa uygulansın çubuk desteğe dokunduğu nokta etrafında döner. Bu noktaya dönme noktası veya destek noktası denir. Demek ki, kaldıraç sağlam bir destek noktası etrafında dönebilen sağlam yapılı çubuktan oluşan düzeneğin adıdır.
Bir iş yaparken kaldıraç kullanmaktaki amaç işi kolaylaştırmaktır. Kaldıraçlar yardıımı ile küçük kuvvetlerle büyük yükler kaldırılır fakat işten kazanç sağlanmaz.
Kaldıraçların kuvvet kazancının büyüklüğünü, Arşimet’in şu sözü desteklemektedir: “Bana üzerinde durabileceğim bir yer gösterin, Dünya’yı yerinden oynatayım.”
Kaldıraçta, kuvvetin destek noktasına olan uzaklığına kuvvet kolu, yükün destek noktasına olan uzaklığına da yük kolu denir. Ağırlığı önemsiz kaldıraç denge durumunda;
Bir kaldıraçta kuvvetten kazanmak için kuvvet kolunun, yük kolundan büyük olması gerekir, böylelikle cisimler ağırlığından daha küçük kuvvetlerle dengede tutulabilirler.
Kaldıraçlar, desteğin, yükün ve kuvvetin bulunduğu yere göre üç çeşittir:
a)Birinci Tip Kaldıraçlar: Destek Arada (Çift Taraflı Kaldıraçlar) Bu kaldıraç çeşidinde yük ve kuvvet uçlardayken destek noktası aradadır. Bunlar da destek noktasının yerine bağlı olarak farklı amaçlar için, farklı şekillerde yapılır. Her zaman kuvvet kazancı olmayabilir. Kuvvetten kazanç sağlanması için kuvvet kolunun yük kolundan büyük olması gerekir. Kuvvet kolunun yük koluna eşit olduğu kaldıraçlar, yalnızca kuvvetin yönünü değiştirmek için kullanılır. Yük kolunun kuvvet kolundan büyük olduğu kaldıraçlarda ise, kuvvetten kayıp vardır, ancak yön değiştirme söz konusudur.
Eşit kollu terazi, makas, tahterevalli, kerpeten, pense, kriko gibi aletler günlük hayatta kullandığımız çift taraflı kaldıraçlara örnek verilebilir.
b)İkinci Tip Kaldıraçlar: Destek Uçta (Tek Taraflı Kaldıraçlar) Bu kaldıraç çeşidinde destek uç noktadayken yük ve kuvvet diğer tarafta farklı noktalarda bulunabilir.
I)Destek Uçta, Yük Arada: Tek taraflı kaldıraçların bu çeşidinde yük kuvvetle destek arasındadır. Kuvvetten kazanç, aynı oranda yoldan kayıp vardır.
El arabası, gazoz açacağı, ceviz kıracağı bu kaldıraç tipinin örnekleridir.
II)Destek Uçta, Kuvvet Arada: Yük ile desteğin arasında kuvvetin yer aldığı bu kaldıraçlarda kuvvetten kayıp vardır, ancak bu sistemler iş yapma kolaylığı sağlar
Bu tip kaldıraca örnek olarak maşa, cımbız, kaşık, çene, insan kolu, kürek, tenis raketi, olta verilebilir.
Sabit bir eksen etrafında serbestçe dönebilen, çevresinde ipin geçmesi için bir oluk bulunan basit makineler makara olarak adlandırılır. Makaralar yapılarına bağlı olarak iki çeşittir:
Sabit makaralar, Hareketli makaralar.
Makara çeşitleri kaldıraçlara benzer yapı gösterirler.
a)Sabit Makaralar: Çevresinden ip geçirilip, ipin bir ucuna yük, diğer ucuna kuvvet uygulanan, çengelinden bir yere monte edilen ve ip çekildiğinde yalnızca dönme hareketi yapabilen makaralara sabit makara denir.
Sabit makaralar destek noktası tam ortada olan kaldıraçlarla aynı özelliğe sahiptir. Destek noktası makaranın asıldığı orta noktasıdır. Yük kolu ile kuvvet kolu uzunlukları eşit olduğu için kuvvet kazancı yoktur. Aynı ipin bütün noktalarındaki gerilme kuvveti aynı olduğundan, F = P dir. Yükü kaldırmak için yüke eşit bir kuvvet kullanılır. Giriş ve çıkış kuvvetleri birbirine eşit olduğu için yoldan kayıp da yoktur. Kuvvetin uygulandığı ip ne kadar çekilirse yük de aynı miktar, ancak ters yönde hareket eder. Bu makaralar kuvvetin yönünü değiştirerek iş kolaylığı sağlarlar. Makara ağırlığı işleme katılmaz.
b)Hareketli Makaralar: Çevresinden ip geçirilip, ipin bir ucu yukarıda bir noktaya bağlanan, diğer ucuna kuvvet uygulanan, makaranın çengeline yük asılan ve ip çekildiğinde hem dönebilen hem de yükle birlikte yükselip alçalabilen makaralara hareketli makara denir.
Hareketli makaralar kuvvetin uçta, yükün ortada olduğu kaldıraç tipine uygundur. Aynı ipin bütün noktalarındaki gerilme kuvveti aynı olduğundan, dengenin şartına göre, F = P/2 dir. Kuvvet kazancı vardır. Yükün ağırlığı uygulanan kuvvetin iki katıdır. Yoldan kayıp vardır. Hareketli makaraya bağlı olan bir yükü h kadar kaldırmak için ipi 2h kadar çekmek gerekir. Hareketli makarada makara ağırlığı ihmal edilmez ise, makaranın ağırlığı P yüküne dâhil edilir. Hareketli makaralar, sabit makaralarda olduğu gibi kuvvetin yönünde değişiklik meydana getirmez. Sabit makara ile kaldırılmayan birçok yük hareketli makaralar ile kaldırılabilir.
Merkezlerinden geçen aynı eksen etrafında birlikte dönen yarıçapları farklı iki silindir ya da ortak ekseni bir kol ve bir silindirden oluşan sistemlere çıkrık denir. Bu sistemde yük küçük yarıçaplı silindirin çevresine dolanan ipin ucuna asılı iken kuvvet silindire bağlı kolun ucuna uygulanır. Çıkrıklar, kuyulardan su çekmek, tekstil fabrikalarında tezgâhlarda 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.
Çıkrık sisteminde çıkrık kolu, küçük silindirin yarıçapından büyük olduğundan, uygulanan kuvvet yükten daha küçük olur. Yani çıkrıklarda kuvvetten kazanç sağlarlar ama işten ve enerjiden kazanç olmaz.
Silindirler çakışık, yönü aynı olduğundan çıkrık koluna uygulanan kuvvet, çıkrığın dönmesini sağlar. Bu dönme esnasında ip kovanın asılı olduğu küçük silindire dolanır ve yük yukarı doğru çıkar. Çıkrık kolu bir tur dönünce, kuvvet kolu da bir kez döner. Dolayısı ile yükü çeken ip silindirin çevresine eşit olan uzunlukta bir yol almış olur. Yükün aldığı yola (yükselme miktarına) h, çıkrığın tur sayısına N dersek, alınan yol şu formül ile hesaplanır:
Kuyu düzeneği, et kıyma makinesi, el matkabı, araba direksiyonu, tornavida ve kapı anahtarı gibi araçlar çıkrığa örnektir.
Ağır yükleri küçük kuvvetlerle istenilen yüksekliğe çıkarmak için kullanılan, yer düzlemiyle açı yapan düzlemlere eğik düzlem denir. Eğik düzlem boyunca kuvvetin yaptığı iş, yükü yukarı çıkarırken potansiyel enerjiye dönüşür. Eğik düzlemin tepesinden bırakılan cisim yer çekimi kuvvetinin etkisiyle potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşecek şekilde yol alır.
Sürtünmeler önemsiz ise, eğik düzlemde iş prensibi geçerlidir:
Sürtünmesiz eğik düzlemin, kuvvete paralel olan l uzunluğu kuvvet yolu, yüke paralel olan h yüksekliği ise yük yoludur. Eğik düzlem üzerindeki yük h kadar yükseldiğinde Ep = P . h kadar potansiyel enerjiye sahip olur. Bu durumda kuvvet F . l kadar bir iş yapma durumundadır.
Eğik düzlemde kuvvetten kazanç sağlanır. Uygulanan kuvvet cismin ağırlığından küçüktür. Fakat aynı oranda yoldan kayıp olur. Eğik düzlemin yüksekliği azalıp, uzunluğu arttıkça, yani eğim açısı küçüldükçe uygulanan kuvvet azalır, kuvvetten kazanç artar. Kuvvetin değişimine karşın isme aynı potansiyel kazandırıldığı için yapılan işte değişim olmaz.
Diğer basit makinelerden en önemli farkı bunların genellikle sabit olmalarıdır. Eğik düzlem uygulamaları; merdivenler, karayollarındaki rampalar ve yükseğe yerden uzatılan kalaslardır.
İki yüzeyi birbirine tutturmak veya monte etmek amacıyla en çok kullanılan bir silindir etrafına sarılmış eğik düzlemden oluşmuş şekle benzer, üzerinde küçük eğimli dişler bulunan basit makinelere vida denir. Vidalar üst kısımlarındaki yarıklara tornavida sokulup kuvvet uygulayarak döndürülür ve istenilen kısımlara tutturulur.
Vidada iki diş arasındaki uzaklığa vida adımı (a) denir. Vida bir tam dönüş yaptığında, bir vida adımı kadar yol alır. N kez döndüğünde ise
kadar yol alır.
Vidaya tornavida kullanılarak uygulanan kuvvet kısa bir yol boyunca etkiyen ve vidayı istenilen yönde hareket ettiren daha büyük bir kuvvete dönüşür. Bu nedenle vidada kuvvet kazancı vardır.
Enerjinin korunumu ilkesine göre; vida başının yaptığı iş, ucunun yaptığı işe eşittir. Vidayı döndürmek için uygulanan F kuvvetinin yaptığı iş, vida tahtaya girerken direngen kuvvetin
DİŞLİ ÇARKLAR
Üzerinde eşit aralıklarla dişler bulunan ve bir eksen etrafında dönebilen silindir şeklindeki basit makinelere dişli çarklar denir. Dişler çarkların birbirine geçmesini sağlar. Dişlilerden birine uygulanan kuvvet dişler yardımı ile diğerine iletilir. Dişlilerin çalışma prensibi çıkrığınkine benzer. 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.
Dişli çarklar kuvvetin yönünü değiştirir, kuvvetten kazanç sağlayabilir ve dönme hızını artırır, azaltır veya yavaşlatabilirler.
Dişli çarklar 2 gruba ayrılır:
I)Ortak (Çakışık) Eksenli Dişliler: Eş merkezli dişliler birbirine perçinli olduğu için hep aynı yönde dönerler ve yarıçapları ne olursa olsun devir sayıları da eşittir.
II) Farklı Eksenli Dişliler: Dişlilerde diş sayısı (N) ile yarıçaplar (r) doğru orantılı, devir sayıları (n) ters orantılıdır.
a)Birbirine Temas Halinde Olan Dişliler: Doğrudan dişlilerin birbirine geçmesiyle hareketi aktarırlar.Her bir dişli zıt bir öncekine göre zıt yönde dönerler. Devir sayıları yarıçapları ile ters orantılıdır. Üç çarktan oluşan sistemde aradaki dişlinin sadece kuvveti iletmek şeklinde görevi vardır.
b)Zincirle Bağlı Dişliler: Dişliler aynı yönde hareket ederler. Devir sayıları yarıçapları ile ters orantılıdır.
Dişleri olmadığı için birbirine bir kayışla ya da iple bağlı olan makaralardan oluşmuş basit makinelere kasnaklar denir. Bunlara büyük iş makineleri, arabalar v.b araçların motorlarında, su motorlarında rastlanır.
Genelde biri büyük diğeri küçük iki makara birbirine kayışla bağlanır. Aletin görevine bağlı olarak makaraların yarıçapları ayarlanır. Dönme hareketini bir yerden bir başka tarafa aktarmak veya dönme yönünü ve hızını değiştirmek için kasnaklar kullanılır.
I)Ortak Eksenli Kasnaklar: Ortak eksenli kasnakların yarıçapları farklı olsa da dönüş yönleri ve devir sayıları aynıdır.
II)Farklı Eksenli Kasnaklar: Devir sayıları (n), yarıçapları (r) ile ters orantılıdır.
...
Dönme yönleri ise kayışların bağlanma şekline göre değişir. Kasnaklar düz bağlanmış ise dönüş yönleri aynı, ters bağlanmış ise dönüş yönleri bir birine göre zıttır.
