Eğik Düzlem, Çıkrık ve Diğer Basit Makineler

Eğik Düzlem (Rampa) Nedir?

Ağır bir buzdolabını veya devasa bir taş bloğu yerden 1 metre yükseklikteki bir kamyon kasasına veya inşaat alanına doğrudan kollarınızla havaya kaldırarak koymak oldukça zordur, hatta imkansız olabilir. Bunun yerine, kamyonun kasasına doğru uzanan eğimli bir tahta kalas koyar ve buzdolabını o tahtanın üzerinden sürükleyerek veya iterek yukarı çıkarırız. İşte, iki ucu arasında yükseklik farkı bulunan ve cisimleri kaydırarak veya yuvarlayarak yukarı çıkarmak için kullanılan bu eğimli yüzeylere eğik düzlem diyoruz. Günlük dilde genellikle "rampa" olarak adlandırılır.

Eğik düzlemin iki temel boyutu vardır: Eğik düzlemin zeminle olan yüksekliği (h) ve yükün üzerinde hareket ettiği rampanın toplam uzunluğu (L - boyu).

Eğik Düzlemin Özellikleri

• Eğik düzlemlerde kuvvet her zaman yükün hareket ettiği rampa üzerinden paralel olarak uygulanır.
• Doğrudan havaya kaldırmadığımız ve bir zemin üzerinde hareket ettirdiğimiz için yükün ağırlığının büyük bir kısmı eğik düzlemin yüzeyi tarafından taşınır. Bu sayede bizim uygulamamız gereken kuvvet çok daha az olur.
• Sonuç olarak, eğik düzlemlerde HER ZAMAN kuvvetten kazanç vardır! Çok ağır yükleri kendi uygulayabileceğimiz küçük kuvvetlerle yukarı çıkarabiliriz.
• Ancak her kuvvet kazancında olduğu gibi burada da yoldan kayıp yaşarız. Yükü sadece 1 metre yüksekliğe çıkarmak için, rampa boyunca belki de 5 metre yol yürümek zorunda kalırız. Doğrudan kaldırmak kısadır ama çok kuvvet gerektirir; eğik düzlem ise yolu uzatır ama kuvveti azaltır.
• Bir eğik düzlemde kuvvet kazancını artırmak istiyorsak (yani işi daha da kolaylaştırmak ve daha az yorulmak istiyorsak) rampanın eğimini azaltmalıyız. Bunu iki şekilde yapabiliriz: Eğik düzlemin yüksekliğini (h) sabit tutup, rampanın boyunu (L) uzatabiliriz. Ya da boyu sabit tutup yüksekliği azaltabiliriz. Ne kadar uzun ve az eğimli bir yolumuz varsa, uygulamamız gereken kuvvet o kadar az olur.

Günlük hayattaki örnekleri: Engelli rampaları, hastane girişlerindeki yokuşlar, dağlara doğru tırmanan virajlı yollar, merdivenler, çocuk parkındaki kaydıraklar ve nakliye kamyonlarının arkasına kurulan yükleme kalasları eğik düzlemin günlük yaşamdaki en güzel örnekleridir. Özellikle yüksek dağlara giden yolların dik bir doğru şeklinde değil de dağın etrafında döne döne, kıvrılarak (virajlı) yapılmasının temel sebebi, yolun boyunu uzatıp eğimi düşürerek araçların motorlarının zorlanmadan, daha az kuvvetle dağa tırmanmasını sağlamaktır.

Çıkrık

Kırsal bir bölgede, derin bir kuyudan bir kova dolusu suyu yukarı çekmeye çalıştığınızı hayal edin. İpi doğrudan ellerinizle çekmek çok zordur ve ellerinizi kesebilir. Ancak bunun yerine ipi silindir şeklindeki kalın bir kütüğe sarar, o kütüğü de kenarındaki bir koldan çevirerek döndürürsek işimiz çok kolaylaşır. İşte aynı merkez etrafında dönebilen, yarıçapları birbirinden farklı iki veya daha fazla silindirin iç içe geçmesiyle oluşan bu düzeneğe çıkrık denir.

Nasıl Çalışır? Çıkrık sistemlerinde kuvvet, büyük çaplı silindirin ucuna bağlanmış olan çıkrık koluna uygulanır. Yük (örneğin kova) ise ortadaki küçük çaplı silindirin etrafına sarılı olan ipe asılıdır. Biz büyük bir daire çizerek kolu çevirdiğimizde (kuvvet kolu), içerideki ip küçük bir silindirin (yük kolu) etrafına dolanır. Yani biz elimizle çok uzun bir yol kat ederken, kova çok daha az bir mesafe yükselir.

Özellikleri: - Çıkrıklarda kuvvetin uygulandığı çemberin (kolun) yarıçapı, yükün sarıldığı silindirin yarıçapından her zaman daha büyüktür. - Bu fiziksel gerçek sayesinde, çıkrıklarda HER ZAMAN kuvvetten kazanç vardır! Ve buna bağlı olarak her zaman yoldan kayıp vardır. - Kuvvet uyguladığımız kolun uzunluğunu artırırsak veya ipin sarıldığı iç silindirin kalınlığını küçültürsek kuvvet kazancımız daha da artar ve daha az kuvvet uygulayarak işimizi yaparız.

Günlük hayattaki örnekleri: Su kuyuları, kapı kilitlerinin anahtarları, tornavida, otomobil direksiyonları, el mikserleri, et kıyma makinelerinin kolları, kahve değirmenleri ve pedallı çevirmeli musluk başlıkları çıkrık prensibiyle çalışan basit makinelerdir. Örneğin bir vidayı sadece elimizle çeviremeyiz, ancak kalın saplı bir tornavida (büyük silindir) ile çevirdiğimizde tornavidanın sivri ucu (küçük silindir) vidayı inanılmaz bir güçle döndürür.

Dişli Çarklar ve Kasnaklar

Birden fazla tekerlekli sistemin birbirine bağlanarak hareket ve kuvvet aktarımı sağladığı basit makinelere dişli çarklar ve kasnaklar adı verilir. Bunların asıl amacı iş yapmak değil, motorlarda ve aletlerde üretilen hareketi ve enerjiyi istenilen parçaya, istenilen hızda ve yönde iletmektir.

Dişli Çarklar: Kenarlarında girinti ve çıkıntılar (dişler) bulunan tekerleklerdir. Dişler birbirine geçerek tekerleklerin birlikte dönmesini sağlar. Eğer iki dişli çark birbirine doğrudan temas ediyorsa, her zaman birbirine zıt yönde dönerler. Farklı büyüklükteki dişliler birbirine bağlandığında dönüş hızları ve uyguladıkları kuvvetin şiddeti değişir. Küçük olan çark her zaman daha çok tur atarken, büyük olan çark daha yavaş döner ama daha büyük bir kuvvet üretir. Saatlerin içi, araba şanzımanları (vites kutuları) ve sanayi tipi büyük iş makinelerinde dişliler yoğun olarak kullanılır.

Kasnaklar: Dişli çarkların aksine üzerlerinde diş bulunmayan, içi oluklu tekerleklerdir. Hareketlerini dişlerle değil, etraflarına sarılan veya bağlanan gergin bir kayış yardımıyla birbirlerine aktarırlar. Eğer iki kasnak birbirine düz (paralel) bir kayışla bağlanmışsa her ikisi de aynı yönde döner. Eğer kayış "X" harfi gibi çapraz bağlanmışsa tekerlekler birbirine zıt yönde döner. Dikiş makineleri, çamaşır makinesi motorları, tarım aletleri ve araba motorlarındaki triger kayışları kasnak sistemleridir.

Vida ve Bileşik Makineler

Vida: Bir silindirin etrafına spiral (helezon) şeklinde sarılmış küçük bir eğik düzlemden başka bir şey değildir! Bir dağa çıkan virajlı yolu düşünün; vida da aynı o şekildedir. Bir tahtaya çiviyi çekiçle vurup sokmak çok zordur çünkü yolu kısadır ama muazzam kuvvet gerekir. Ancak vidayı tornavida yardımıyla çevirdiğimizde, etrafındaki spiraller (eğik düzlem yolu) sayesinde ahşabın içine döne döne yavaşça ama çok daha az kuvvet gerektirerek girer. Vidalar da eğik düzlem mantığıyla çalıştığı için her zaman kuvvetten kazanç, yoldan ise büyük oranda kayıp sağlarlar. Ampullerin alt kısımları, kavanoz kapakları, şişe kapakları ve mengeneler vida sistemi barındırır.

Bileşik Makineler: Günlük hayatımızda kullandığımız aletlerin pek çoğu tek bir basit makineden değil, birden fazla basit makinenin birleşerek oluşturduğu kompleks sistemlerden meydana gelir. Bu tür cihazlara bileşik makine denir. - Bisiklet: Bisiklet harika bir bileşik makinedir. Direksiyonu bir çıkrık, pedalları ve tekerlek zincirleri dişli çark, fren sistemi bir kaldıraç, tekerleklerin akordları vida, lastikleri ise tekerlektir. - Olta: Oltanın atıldığı gövde (kamış) bir kaldıraç (kuvvetin arada olduğu kaldıraç), ipi sarmaya yarayan makinesi ise bir çıkrık ve makara sistemidir. - Vinç: Vinçlerde ağır yükü kaldıran kısım palanga (sabit ve hareketli makaralar), kolun kendisi bir kaldıraç, motor içindeki aktarıcılar ise dişli çarklardır. Bileşik makineler, farklı basit makinelerin kuvvet kazancı özelliklerini birleştirerek günlük hayatı inanılmaz derecede kolaylaştıran teknolojik mucizelerdir.