Basit Makinelerin Genel Özellikleri ve Makaralar

Basit Makine Nedir?

Günlük hayatımızda etrafımıza baktığımızda sayısız makine görürüz. Çamaşır makinesi, otomobil, asansör veya fabrika üretim bantları gibi çok karmaşık yapıdaki ve çok sayıda parçadan oluşan araçlar genel anlamda birer "makine"dir. Ancak bilimsel ve fiziksel açıdan incelediğimizde, sadece bir veya birkaç parçadan oluşan, elektrik motoru veya yakıt kullanmayan, yalnızca tek bir kuvvet çeşidi ile çalışan araçlara basit makine adını veriyoruz.

Evde kullandığımız bir makas, annemizin çamaşır asarken kullandığı mandal, bir vidanın duvara girmesi, çorba içtiğimiz kaşık veya bir inşaatta yükleri yukarı kaldıran makaralar hep birer basit makinedir. Peki, bu aletlerin temel amacı nedir?

Basit makinelerin en büyük ve en temel amacı iş yapma kolaylığı sağlamaktır. Hiçbir basit makine, yapılan işin toplam miktarından (enerjiden) kazanç sağlamaz. Yani bir işi basit makine ile de yapsanız, çıplak elle de yapsanız harcadığınız toplam enerji fiziksel anlamda aynıdır. Sadece o işi yapış şekliniz kolaylaşır.

Basit Makineler Nasıl Kolaylık Sağlar?

Basit makineler şu üç özelliği değiştirerek işimizi kolaylaştırabilir: 1. Kuvvetin Yönünü Değiştirmek: Uyguladığımız kuvvetin yönünü değiştirerek işi daha rahat yapmamızı sağlar. Örneğin bayrak direklerindeki makara sistemi sayesinde ipi aşağı doğru çekeriz, ancak bayrak yukarı doğru çıkar. Kendi ağırlığımızdan faydalanarak aşağı doğru ipi çekmek, doğrudan bir direğe tırmanıp bayrağı yukarı çekmekten çok daha kolaydır. 2. Kuvvetin Doğrultusunu Değiştirmek: Kuvvetin uygulandığı doğrultuyu değiştirerek avantaj sağlayabilirler. 3. Kuvvetin Büyüklüğünü Değiştirmek: Birçok basit makine, bizim kendi gücümüzle kaldıramayacağımız ağır yükleri, çok daha küçük bir kuvvet uygulayarak kaldırmamızı sağlar. Bu duruma kuvvet kazancı denir.

Kuvvetten ve Yoldan Kazanç Ne Demektir?

Basit makinelerde makineye bizim uyguladığımız kuvvete giriş kuvveti, makinenin de yüke uyguladığı ve işi yaptığı kuvvete çıkış kuvveti adı verilir. Eğer bir sistemde bizim uyguladığımız kuvvet (giriş kuvveti), kaldırılan yükten (çıkış kuvveti) daha küçükse, o makinede kuvvetten kazanç vardır.

Ancak evrende hiçbir şey karşılıksız değildir! "İşten kazanç olmaz" kuralı gereğince, eğer bir makine bize kuvvetten kazanç sağlıyorsa (yani bizi daha az yoruyorsa), mutlaka yoldan kayıp verdirir. Yoldan kayıp demek, yükü 1 metre yukarı çıkarmak için ipi örneğin 2 metre veya 5 metre çekmek zorunda kalmamız demektir. Tam tersi, eğer bir makine yoldan kazanç sağlıyorsa, o zaman da kuvvetten kayıp vardır; yani cismi kendi ağırlığından daha büyük bir kuvvetle itmek veya çekmek zorundayızdır.

Makaralar

Makara, merkezinden geçen bir eksen etrafında serbestçe dönebilen, etrafında bir ipin ya da halatın geçebilmesi için bir oluk (çukur) bulunan tekerlek şeklindeki basit makinedir. Makaralar genel olarak sabit makara ve hareketli makara olmak üzere ikiye ayrılır. Ayrıca bu iki türün birleşimiyle oluşan sistemlere de palanga adı verilir.

1. Sabit Makaralar

Sabit makaralar, adından da anlaşıldığı gibi tavan, duvar veya direk gibi sabit bir noktaya asılmış olan ve sadece kendi ekseni etrafında dönme hareketi yapan makaralardır. Sabit makarada yük makaranın kendisine asılmaz; makaranın etrafından geçen ipin bir ucuna yük asılır, diğer ucu ise kuvvet uygulayarak çekilir.

Özellikleri: - Sabit makaralarda yükü kaldırmak için uygulanması gereken kuvvet, yükün ağırlığına eşittir. Yani 50 Newton (N) ağırlığındaki bir yükü kaldırmak için tam 50 N kuvvet uygulamamız gerekir. - Bu nedenle sabit makaralarda kuvvetten kazanç veya kayıp yoktur. - Yükü 1 metre yukarı kaldırmak için, ipin diğer ucunu tam 1 metre aşağı çekmek gerekir. Dolayısıyla yoldan kazanç veya kayıp da yoktur. - Peki o zaman neden sabit makara kullanırız? Sabit makaralar sadece kuvvetin yönünü değiştirerek iş yapma kolaylığı sağlar. Yukarıya kaldırmak istediğimiz bir yük için ipi aşağıya doğru çekmemizi sağlar. Bu sayede yer çekiminden ve kendi vücut ağırlığımızdan destek alarak işimizi kolayca yapabiliriz. - Kullanım alanları: İnşaatlarda harç veya tuğla çekerken, bayrak direklerinde, yelkenli gemilerin yelkenlerini açarken ve perdelerin mekanizmalarında sabit makaralar kullanılır.

2. Hareketli Makaralar

Hareketli makaralarda ise durum farklıdır. Bu makara türünde ipin bir ucu sabit bir yere asılır. Makara ipin üzerinde serbestçe aşağı yukarı hareket edebilir. Yük, doğrudan makaranın eksenine (merkezine) bağlanır. Biz ipin diğer ucunu yukarı çektiğimizde, makara hem döner hem de yükle birlikte yukarıya doğru çıkar.

Özellikleri: - Hareketli makarada yükün ağırlığı, makaranın her iki yanındaki ip tarafından eşit şekilde paylaşılır. Bu sayede bizim uygulamamız gereken kuvvet, yükün toplam ağırlığının yarısı kadar olur. Örneğin 100 N ağırlığındaki bir sandığı, sadece 50 N kuvvet uygulayarak havaya kaldırabiliriz. - Yani hareketli makaralar her zaman kuvvetten kazanç sağlar. (2 kat kuvvet kazancı vardır). - Ancak "işten kazanç olmaz" kuralını hatırlayalım. Kuvvetten kazandığımız için yoldan kaybetmek zorundayız. Yükü 1 metre yukarı çıkarmak istiyorsak, ipi tam 2 metre yukarı çekmeliyiz. Bu da yoldan 2 kat kayıp olduğunu gösterir. - Hareketli makaralarda kuvvetin yönü değişmez. İpi yukarı çekeriz, yük de yukarı çıkar. - Kullanım alanları: Vinçlerde, büyük yük taşıyan mekanizmalarda, teleferik sistemlerinde ve asansörlerde genellikle hareketli makaralar kullanılır.

3. Palangalar

Gerçek hayatta çok ağır bir yükü (örneğin bir arabayı veya devasa bir demir bloğunu) kaldırmak için sadece bir sabit veya sadece bir hareketli makara yeterli olmaz. Bu gibi durumlarda, en az bir sabit makara ve en az bir hareketli makaranın bir araya getirilmesiyle oluşan karmaşık makara sistemlerine palanga denir.

Palangalar hem sabit makaranın "kuvvetin yönünü değiştirme" yeteneğini hem de hareketli makaranın "kuvvetten kazanç sağlama" yeteneğini birleştirir. - Bir palanga sisteminde ne kadar çok hareketli makara (ve dolayısıyla yükü taşıyan ne kadar çok ip parçası) varsa, kuvvet kazancı o kadar artar. Yani çok ağır yükleri çok küçük kuvvetlerle kaldırabiliriz. - Ancak hareketli makara sayısı arttıkça, ipi çekmemiz gereken mesafe de (yoldan kayıp) aynı oranda artacaktır. - Palanga sisteminde, eğer kuvveti uyguladığımız ip aşağı doğru çekiliyorsa, yükü taşıyan ip sayısı hareketli makaralardaki ipler kadardır. Eğer ipi yukarı doğru çekiyorsak, en son çektiğimiz ip de yükü kaldırmaya yardım ettiği için onu da hesaba katarız ve daha fazla kuvvet kazancı elde ederiz. - Kullanım alanları: Gemi limanlarında konteyner yükleyen vinçlerde, inşaatlardaki devasa kule vinçlerde palanga sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır.