İş yaparken bir takım araçlardan faydalanırız. Bir basit makine,
aletin bir noktasına bir dış kuvvet uygulandığında başka bir noktadaki
cisme kuvvet uygulayan mekanik bir aygıttır. Basit makineler işleri
yapmakta bir takım kolaylıklar sağlarlar. Bu araçlar kerpeten,
kaldıraç, el arabası, palanga, makas, vida gibi araçlardır. Bu tip
araçlara basit makineler denir.
Basit makineler enerji yaratmazlar. Enerjinin korunumu ilkesine göre
bir makine kendisine verilenden daha fazla miktarda iş çıkışı
sağlayamaz. Makineler çalışırken bir takım sürtünmelere maruz
kaldıklarından dolayı ortaya çıkan iş giren işten daha küçüktür. Bir
makineden alınan verim, giriş işin çıkış işine dönüştürme derecesinin
ölçüsüdür. Bu ifadeyi formülle ifade edecek olursak;
Bir makine eğer yüzde yüz verimle çalışabilirse bu tip makinelere ideal makine denir. Fakat bu tür makine henüz yapılamamıştır.
Makineleri en fazla yararlı olduğu durum, herhangi bir enerji
yaratamamalarına rağmen giriş kuvvetini büyültebilmeleridir. Basit
makinelerin kuvvetleri artırabilme özelliğine mekanik yarar denir. Eğer
F0'a makinenin kuvvet çıkışı, F1'e de giriş kuvveti dersek gerçek
mekanik yarar (GMY) formülü şöyle olacaktır:
Kaldıraçlar
İş yaparken kullanılan metal, tahta veya buna benzer malzemelerden
yapılan çubuklara kaldıraç denir. Günlük hayatta kullandığımız birçok
kaldıraç vardır. Bunlardan bazıları şunlardır: Makas, el arabası,
keser, kalas, gazoz açacağı.
Bir kaldıraç farklı kısımlardan meydana gelir. Kaldıraçta çubuğun
dayandığı noktaya destek noktası, yükün bulunduğu yerden desteğe olan
uzaklığa yük kolu, uygulanan kuvvetin desteğe olan uzaklığına kuvvet
kolu denir. Kaldıraçlar farklı tiptedirler. Destek noktası ortada
kuvvet ve yükün farklı uçlarda olduğu kaldıraç tipine birinci tip
kaldıraçlar, destek noktası bir uçta yük ortada ve kuvvetin diğer uçta
olduğu kaldıraçlara da ikinci tip kaldıraç denir. Birinci tip
kaldıraçlara örnek olarak; makas, tahterevalli, eşit kollu terazi,
ikinci tipe ise el arabası, fındık kıracağı verilebilir.
Kaldıraçların yaptığımız işte bize bir takım kolaylıklar sağladığını
ifade etmiştik. Kaldıraç kullanılması ile büyük yükleri daha küçük
kuvvet kullanarak yapabiliriz. Üstelik bazı işleri yapmak için bu tip
araçlara gereksinim duyarız. Bilim adamının dediği gibi "Bana bir
kaldıraç verin, dünyayı yerinden oynatayım" ifadesi abartılı olsa bile
kaldıraçlar birçok işi daha kolay yapmaya yarar. Gazoz kapağını
elimizle açmak yerine açacak kullanma, vidayı çıkarmak için anahtar
kullanma, bir arabayı kaldırmak için kriko kullanma direkt yapılması
çok zor işlemlerdir. Bunun için bu tip araçlar kullanırız.
Kaldıraç kullanmanın bir takım kuralları vardır. Eğer uygulanan kuvvet
desteğe ne kadar uzak olursa o kadar az kuvvet uygulanır. Bu ifadeyi
formülleştirecek olursak;
Kuvvet x Kuvvet kolu = Yük x Yük kolu
F1 x a1 = F2 x a2
Bir iş yaparken kaldıraç kullanmaktaki amaç işi kolaylaştırmaktır.
Kaldıraçlar yardımı ile küçük kuvvetlerle büyük yükler kaldırılır fakat
işten kazanç sağlanmaz. Kaldıraçlarla ilgili bir örnek verilecek
olursa; 200 cm uzunluğundaki bir çubuğun bir ucunda 800 N ağırlığında
bir yük vardır. Bu uçtan 40 cm uzaklıkta bir destek bulunmaktadır.
Çubuğun diğer ucundan ne kadar büyüklükte kuvvet uygulanırsa bu yük
kaldırılabilir?
Bu problemi çözmek için kullanılacak formül; F1 . a1 = F2 . a2 olacaktır. Formülde rakamları yerine koyduğumuzda
F1 . 150 = 800 . 40 F1 = (800 . 40) / 160 F1 = 32000 / 160 F1 = 200 N
şeklinde olacaktır. Görüldüğü gibi yapılan işte elde edilen kazanç
yükün 1/4 kadardır. Eğer kuvvet kolu daha uzakta olsa idi daha fazla
kuvvet kazanılacağını deneyerek yapabilirsiniz?
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?
_________________
Bi ara buluşak laa Fen-C'liler!!!
Konu: Basit makinaler 
