Jednostavni stroj

Jednostavni stroj je povijesni naziv za razne alate ili naprave koje su povećavale omjer uložene i dobivene sile. Jednostavni strojevi su omogućili čovjeku da obavi radove koji su zahtijevali snagu koja je bila veća od njegove, to jest omogućili su iskorištavanje snage vjetra, snage vode, i snage gorivih tvari. Bez njih bio je nezamisliv napredak, a čovjek bi još uvijek bio na primitivnom stupnju razvoja. Jednostavni strojevi su:

• poluga
• kotač i osovina
• koloturnik i kolotura
• kosina
• klin
• vijak.

Poluga je jedan od 6 jednostavnih strojeva.

Poluga je čvrsto tijelo koje se može okretati oko neke čvrste točke, oslonca ili zgloba i vrijedi: F₁D₁ = F₂D₂.

Kotač na vozu.

Izgled Arhimedovog ili običnog koloturnika.

Sile na tijelo koje djeluju na kosini.

Klin služi za uvećavanje primijenjene sile i promjenu smjera njezina djelovanja.

Arhimedov vijak.

Tipični vijčani spoj s vijkom sa šestostranom glavom, maticom i podloškom

Poluga

Poluga je čvrsto tijelo, najčešće u obliku ravna ili zakrivljena štapa, koje se pod utjecajem sila može zakretati oko jedne osi. Sile koje djeluju na polugu u ravnini okomitoj na os mogućega zakretanja, pomnožene s udaljenostima njihova pravca djelovanja od osi (krak sile), daju momente sile, koji su to veći što je i udaljenost veća. Poluga je u ravnoteži kada je algebarski zbroj svih momenata koji djeluju na polugu jednak nuli (zakon poluge). Djelovanjem male sile na velikom kraku mogu se ostvariti na malom kraku velike sile i obrnuto. Time se razmjerno malim silama mogu svladati velika opterećenja, a na tom principu djeluju različiti alati (škare, kliješta), naprave (polužna vaga, kantar, pedala ili papučica, stezna poluga) ili složeniji mehanizmi, kod osjetljivih pak sprava, na primjer kod pincete (ponekad se naziva i poluga trećeg reda), može se od veće sile postići manja. Poluga može biti dvokraka (poluga prvoga reda), kod koje sile djeluju na suprotnim stranama od osi zakretanja, ili jednokraka (poluga drugoga reda), gdje su sve sile s jedne strane u odnosu na os. Postavljanje zakona poluge pripisuje se grčkom matematičaru i izumitelju Arhimedu.

Kotač i osovina

Kotač je mehanička naprava okretanjem koje se omogućuje izvršenje nekog rada (pokretanje nekog tijela) uz primjenu manje sile. Tako je na primjer sila trenja (otpora gibanju) vozila pri kotrljanju (vozila s kotačima) znatno manja od sile trenja vozila koje kliže podlogom; par ili niz kotača različita promjera, u međusobnom dodiru (zupčanici) ili posredno, preko remena (remenice) ili užeta (koloture), omogućuje prijenos sile u najpovoljnijem iznosu; primijenjen kao zamašnjak, kotač svojom tromošću ujednačuje nejednolike pogonske sile, čime je rad stroja (na primjer parne lokomotive) ili uređaja (na primjer kolovrata) mirniji, a ekonomičnost sustava povećana. Naziva se još i kolo, a osim s prijevoznim sredstvima (kolima), razvoj kotača povezan je i s iskorištenjem vodene energije (vodeničko kolo), te za obavljanje različitih poslova (na primjer lončarsko kolo). Svrstava se među takozvane jednostavne strojeve, na načelima kojih počiva rad svih današnjih strojeva pa je time i jedan od najznačajnijih tehničkih izuma čovječanstva.

Razvoj kotača bio je polagan, ali stalan na gotovo cijelom planetu. Njegov je preteča trupac, s pomoću kojega se podmetanjem i kotrljanjem ispod teških tereta olakšava njihovo pokretanje. Pojava kotača vezana je uz kola kao prijevozno sredstvo. Najstariji prikazi kotača pronađeni su među ostatcima središnjoazijskih kultura (Ur, oko 2700. pr. Kr.), puna su oblika i slični onima iz mlađega kamenog doba, nađenima u tresetištima sjeverne i zapadne Europe. Ljubljanski drveni kotač je najstariji drveni kotač s osovinom na svijetu, starost mu iznosi oko 5 150 godina. Oko 1700. pr. Kr. taj se izum proširio do Kine i Egipta, a prvi kotači sa žbicama pojavljuju se na prikazima borbenih kola starih Rimljana (oko 300. pr. Kr.). Značajan korak u razvoju kotača bilo je uvođenje ojačanja vijenca metalnim prstenom (bronca, čelik), koji je povećao čvrstoću kotača i njegov otpor habanju. Prije europskih istraživanja na pacifičkim otocima kotač nije bio poznat; pretkolumbovske kulture Amerike poznavale su princip kotača, ali nisu nikada razvile njegovu primjenu. Za prijenos gibanja i sile u različitim napravama (vitlo, kolotur), kotač se rabi još od antike.

Kolotur i koloturnik

Kolotur je kotač koji služi za prijenos gibanja ili djelovanja sile uz pomoć užeta (remena, lanca) prebačena preko njegova užlijebljena oboda. Čvrsti kolotur ima nepomičnu osovinu i služi za promjenu smjera djelovanja sile. Pomični kolotur ima pomičnu osovinu; njime se može držati teret u ravnoteži s upola manjom silom, jer se djelovanje tereta raspodjeljuje na dva užeta. Koloturnik je sustav kolotura različitih izvedbi, a služi za dizanje velikog tereta malom silom (natezanjem užeta) uz produljenje puta. Potencijalni koloturnik sastoji se od jednoga čvrstog i nekoliko pomičnih kolotura; svaki pomični kolotur umanjuje upola silu potrebnu za uravnoteženje težine tereta. Naziv potencijalni potječe odatle što sila potrebna za ravnotežu opada s potencijom broja 2. Arhimedov koloturnik sustav je od nekoliko kolotura različitih veličina, od kojih je polovica nepomična i povezana, dok su preostali također međusobno povezani, ali se zajedno pomiču. Diferencijalni koloturnik sastoji se od tri kolotura s užetom bez kraja. Dva kolotura različitih polumjera nalaze se na istoj osovini, dok je na trećem, pomičnom koloturu obješen teret.

Kosina

Kosina je ravnina nagnuta pod oštrim kutom prema horizontalnoj ravnini. Omogućuje podizanje tereta na neku visinu duljim putem, ali manjom silom od one koja bi bila potrebna za podizanje po okomici (vertikali). Također, služila je za proučavanje jednoliko ubrzanoga gibanja tijela s ubrzanjem koje je manje od ubrzanja Zemljine sile teže:

$a=g\cdot \sin \alpha$

gdje je: a - ubrzanje na kosini, g - ubrzanje sile teže, a α - nagib kosine.

Budući da težina tijela uvijek djeluje vertikalno prema dolje, a da se tijelo na kosini ne može gibati u tome smjeru, težina se rastavlja na dvije komponente: komponentu okomitu na kosinu i paralelnu s njome. Okomita komponenta pritišće podlogu (podloga uzvraća silom suprotnoga smjera), a paralelna komponenta ubrzava tijelo niz kosinu i vrši rad ako je u tome ne ometaju druge sile (na primjer sila trenja). Uvjet je mirovanja tijela na kosini da je sila trenja jednaka paralelnoj komponenti težine tijela:

$F_{tr}=G\cdot \sin \alpha$

gdje je: α - nagib kosine, a G - težina tijela.

Klin

Klin je zaoštreno ili zašiljeno tijelo u obliku trokutaste prizme, najčešće od čelika. Služi za uvećavanje primijenjene sile i promjenu smjera njezina djelovanja. Tijelo u koje se klin zasijeca pritišće okomito na njegove stranice. Sila Q može se svladati manjom silom P iznosa:

$P=Q\cdot {tg}\alpha$

ako je kut između glavnih dviju ploha α < 45°. Upotrebljava se najčešće za kalanje, rezanje i podizanje.

Vijak

Vijak je strojni dio za rastavljivo spajanje dijelova ili za pretvaranje rotacijskoga gibanja u translacijsko. Valjkasta je oblika, a duž cijele vanjske strane ili njezina dijela oblikovan je narezanim ili utisnutim navojem, to jest spiralnim užljebljenjem, koje djeluje poput vješto izvedene kosine. Navoj se u obliku helikoidne linije ili uske plohe ravnomjernim nagibom ovija oko cilindričnog ili, rjeđe, blago stožastoga tijela i uspinje u smjeru kazaljke na satu (desni navoj) ili obrnuto (lijevi navoj). Prema namjeni, navoji imaju različite oblike poprečna presjeka (trokutni, trapezni, pilasti i tako dalje), mogu biti jednovojni ili viševojni (dvovojni, trovojni), metarski ili colni (na primjer cijevni Whitworthov navoj). Karakteristične veličine navoja jesu kut profila, teorijska i nosiva dubina, korak i drugo. Većinom su standardizirani, premda se iz različitih razloga izvode i izvan standarda. Pored tijela s navojem vijak je obično opremljen glavom različita oblika. Glava vijka najčešće je šesterostrana prizma, ali može biti i četverokutna, poluokrugla, valjkasta s ravnim ili upuštenim križem, šesterokutom (takozvani imbus-vijak) ili zvijezdom, potom lećasta, krilna, narovašena, očna ili stožasta (utor na glavi vijka).

Vijčani spojevi izvode se vijkom i maticom (glavi slično prizmatično tijelo s navojem unutar središnjega provrta), ili je vijak uvrnut u provrt s navojem jednog od tijela koje se spaja. Radi boljega nalijeganja ili radi sprječavanja samoodvrtanja, vijčanom se spoju ispod glave vijka ili ispod matice stavljaju obični i elastični podlošci. Često se upotrebljavaju i dvije matice zajedno, od kojih druga, bliža kraju (takozvana protumatica), služi kao osigurač. Dosjedni vijci uz stezanje dijelova osiguravaju i njihov točan položaj. Struk je na dosjednoj površini gladak i brušen, a rupe razvrtane. Vijci za podešavanje imaju na kraju struka poseban izdanak, a služe za postavljanje dijelova u određen međusobni položaj. Usadni vijci uvrću se u jedan dio stroja, a nemaju glavu; obično se upotrebljavaju za spojeve kućišta, poklopaca i slično. Temeljni ili kotveni vijci povezuju glavne dijelove s postoljem ili temeljem, a izvedeni su ili kao vijci s glavom ili im je glava stožasto prizmatična, rasječena i povinuta, raskovana ili sploštena ili ima neki drugi, često nepravilan oblik koji osigurava dobro držanje kada se zalije u beton temelja. Posebna su oblika vijci za drvo, kojima je tijelo blago stožasto i završava kao šiljak. Oni se ubrajaju u samonarezne vijke, jer sami sebi narezuju navojnu rupu, odnosno ne trebaju maticu. Imaju širok navoj većeg uspona i upuštenu ili poluokruglu glavu s utorom. Na sličnom načelu djeluju i vijci za lim te vijci za plastiku, koji često imaju završetak tijela poput nareznoga svrdla.

Osim vijka kao elementa za spajanje, tako se nazivaju i druga tijela s više ili manje helikoidnim oblikom, na primjer brodski vijak ili vijčani propeler, vijak za pretvaranje rotacijskoga gibanja u translacijsko (vreteno) ili Arhimedov vijak.