Makine
Makine dendiğinde genellikle çarklardan, dişlilerden, millerden ve daha birçok harek etli parçadan oluşan karmaşık bir düzenek düşünürüz. Oysa bir işi yapmak için gereken kas kuvvetini azaltarak ya da kuvvet uygulamayı kolaylaştırarak işin yapılmasını basitleştiren bütün yardımcı araçlar basit ve temel birer makinedir. Birçok örneği tarihöncesi çağlardan beri kullanılan bu basit makineler altı gruba ayrılır: Kaldıraç, makara, çıkrık, eğik düzlem, kama ve vida. Makara ile çıkrık kaldıracın, kama ile vida da eğik düzlemin özel birer türü olduğundan, aslında basit makinelerin yalnızca iki temel tipi vardır: Kaldıraç ve eğik düzlem.
Büyük bir taşı yerinden oynatmaya ya da ağır bir sandığı kaldırmaya çalışan işçilerin taşın ya da sandığın altına uzun bir demir çubuk yerleştirdiklerini görmüşsünüzdür. Kol demiri ya da manivela denen bu uzun çubuk bir tür kaldıraçtır. Bu örnekte olduğu gibi her kaldıraçta bir destek ya da dayanak noktası, bu noktanın çevresinde dönebilen bir kaldıraç kolu, yerinden oynatılacak bir yük (direngen kuvvet) ve bu yükü hareket ettirecek bir kuvvet vardır. Ama, destek noktasının yüke ve kuvvete göre konumu değiştiğinde kaldıracın türü de değişir. Yukarıda örnek verdiğimiz kol demiri gibi birinci türden kaldıraçlarda destek noktası yük ile kuvvet arasında bir yerdedir. Bildiğiniz tahterevalliler, iş yapmaya yardımcı bir araç ya da makine olmamakla birlikte, bu tip kaldıraçların en tipik örneği sayılır. Makas, pense ve kerpeten de gene bu gruptan birer kaldıraç örneğidir. Buna karşılık fındık ya da ceviz kıracağı ikinci türden bir kaldıraçtır; çünkü yük (kırılacak fındık ya da ceviz), uyguladığımız kuvvet ile destek noktası arasında yer alır. El arabası da ikinci türden kaldıraçlara örnek olarak gösterilebilir. Üçüncü türden kaldıraçlarda ise kuvvetimizi destek ile yük arasında bir noktaya uygularız. Maşa ve şeker maşası bu grubun en tipik örnekleridir. Kamışlı oltayla balık avlarken, yakalanan balığı dışarı çekmek için kamışı kaldırdığımızda da gene üçüncü türden bir kaldıraç kullanmış oluruz.
Mekanik Kazanç İlkesi
Bütün basit makineler için geçerli olan bu ilkeyi açıklamanın en iyi yolu kaldıraç örneğidir. Kaldıraçlarda, yükün bulunduğu nokta ile destek noktası arasındaki uzaklığa yük kolu, destek noktası ile kuvvetin uygulandığı nokta arasındaki uzaklığa da kuvvet kolu denir. Birinci türden bir kaldıraç olan kol demiriyle ağır bir taşı kaldırmaya çalışırken, olabildiğince az kuvvetle taşı (yükü) yerinden oynatabilmek için kuvvetimizi destekten oldukça uzak bir noktaya uygulamamız gerekir. Başka bir deyişle, kuvvet kolu yük kolundan ne kadar büyük olursa uygulamamız gereken kuvvet de o kadar azalacaktır. Çünkü kaldıraçlarda kuvvet ile yük arasındaki bağıntıyı veren genel yasaya göre, yükü kaldırmak için uygulanacak kuvvet ile kuvvet kolunun çarpımı, yükün ağırlığı ile yük kolunun çarpımına eşittir. Demek ki, elimiz ile destek noktası arasındaki uzaklık 20 metre, destek noktası ile taş arasındaki uzaklık da 2 metre olursa, 20 metre 2 metrenin 10 katı olduğuna göre, uyguladığımız kuvvetin 10 katına eşit bir yükü kaldıraç yardımıyla yerden kaldırabiliriz. Bu durumda elde edilen kaldırma kuvveti uygulanan kuvvetin 10 katına eşittir; dolayısıyla kol demirinin sağladığı mekanik kazanç ya da kuvvet kazancı 10’dur. Güçlü bir erkek rah atça 100 kilogramlık bir kuvvet uygulayabileceği için, basit bir kol demiriyle 100x10=1.000 kilogramlık, yani 1 tonluk bir kaldırma kuvveti kazanabilir. Kısacası, mekanik kazancı yüksek bir kaldıraç seçildiğinde, oldukça az bir kuvvetle çok ağır bir yükü kaldırmak olanaklıdır. İÖ 3. yüzyılda yaşamış olan Eski Yunanlı bilgin Arşimet, “Bana bir dayanak noktası verin, Dünya’yı yerinden oynatayım” derken böyle bir kaldıraçtan söz ediyordu.
Bununla birlikte basit makinelerin hiçbiri, mekanik kazancı ne kadar yüksek olursa olsun işten kazanç sağlamaz; sonuçta makinenin yaptığı iş bizim yaptığımız işe eşittir. “İş” kuvvet ile yolun çarpımı olarak tanımlandığına göre, mekanik kazanç ilkesi gereğince, yukarıdaki kol demiri örneğinde insanın uyguladığı kuvvet ile bu kuvvetin aldığı yolun çarpımı yükün ağırlığı ile kaldırılacağı yüksekliğin çarpımına eşit olacaktır. Bu da, elle bastırılan kol demirinin her 10 cm aşağıya inişinde taşın yalnızca 1 cm yukarıya kalkacağını, yani kuvvet uygulanan noktanın yükün bulunduğu noktadan 10 kat daha hızlı hareket edeceğini gösterir.
Demek ki, kaldıraç olarak kullanılan kol demiri insanın uyguladığı kuvveti artıran, ama yükü düşük bir hızla ve ancak belirli bir yüksekliğe kaldırabilen çok basit bir makinedir. Ayrıca, bir ucundaki taşı yukarıya kaldırmak için öbür ucunu aşağıya doğru bastırmak gerektiğinden, kuvvetin yönünü tersine çevirdiğini de belirtmek gerekir.
Makara ve Çıkrık
Makaralar günlük yaşamda çok kullanılan basit ve yararlı makinelerdir. Sabit bir eksenin çevresinde dönen tek bir makara, kuvvet ve yol açısından bir kazanç sağlamaz; ama kuvvetin yönünü değiştirdiği için iş yapmayı kolaylaştırır. Örneğin, böyle bir makaranın üzerinden geçirilen halatın bir ucu hep aşağıya doğru çekildiğinde öbür ucundaki yük yukarı doğru çıkar. Aşağıya doğru çekme kuvveti uygulamak çok daha kolay olduğundan, özellikle inşaatlarda yapı gereçlerini ve ağır yükleri yükseğe kaldırmak için genellikle sabit makaralardan yararlanılır. Buna karşılık, “palanga” denen düzeneklerin sağladığı mekanik kazanç, sabit makaralannkinden çok daha fazladır. Bu düzenek bir ya da birkaç sabit makara ile bir ya da daha çok sayıda hareketli makaradan ve bütün makaraların çevresinden geçen kesintisiz bir halat ya da zincirden oluşur. Uygulanan kuvvet bu kesintisiz halatın her noktasına eşit olarak dağılacağından, palanganın sağlayacağı mekanik kazanç da sabit ve hareketli makaralar arasındaki halat kollarının sayısına eşit olur. Eğer beş halat kolu varsa, sürtünmeyi hiç göz önüne almamak koşuluyla, 10 kilogramlık bir kuvvet 50 kilogramlık bir yükü kaldırabilir. Ne var ki, bu kuramsal kazanç sürtünme nedeniyle kayba uğradığından uygulamada aynı sonucu almak olanaksızdır; çünkü, makaraların eksenleri çevresinde dönmesini güçleştiren bu sürtünme kuvvetini yenmek için daha fazla kuvvet uygulamak gerekir. Kaldıraçlar için geçerli olan yasa palangalar için de geçerlidir. Demek ki, mekanik kazancı (kuramsal olarak) 5 olan bir palangada, uygulanan kuvvet halatı 5 metre çektiğinde yük yalnızca 1 metre yukarı kalkar. Başka bir deyişle, yükün kaldırılma hızı halatın çekilme hızının ancak beşte biri kadardır.
Çıkrık adı altında toplanan basit makineler, temel olarak, bir milin çevresinde dönen
tekerlek, çark, kasnak, tambur gibi yuvarlak ya da silindir biçiminde bir parça ile bu parçanın üzerine sarılan bir halat, kayış ya da zincirden oluşur. Kuyudan kovayla su çekmeye yarayan kuyu çıkrıkları, tekneleri karaya çekmek ya da gemilerde demir almak için kullanılan ırgat ve bocurgatlar bu tip makinelerin çok eskiden beri bilinen örnekleridir. Aynı temele dayanan ırgat ve bocurgatta, düşey bir eksenin çevresinde dönen dikiş makarasına benzer bir tambur vardır. Eskiden gemiciler, bu tamburun kafasındaki yuvalara oturtulmuş uzun çubuklara (ırgat ya da bocurgat kollarına) yüklenerek tamburu döndürürler, böylece geminin demirine bağlı olan ip tamburun gövdesine sarılarak demiri yukarı
çekerdi. Bu düzenekte ırgat kolları ne kadar uzun ve tamburun çapı ne kadar küçük olursa, makinenin sağlayacağı kuvvet kazancı da o kadar büyük olur. Çünkü elde edilecek mekanik kazanç, kolun bir dönüşte çizdiği çemberin yarıçapı ile tamburun yarıçapı arasındaki orana bağlıdır. Bu ilke çıkrık türünden bütün makineler için geçerlidir. Gene bir mil ve çark düzeneği olan dişli çarkların mekanik kazancı da buna dayanarak hesaplanır. Bir dişli çiftindeki iki çarkın dişleri birbirinin arasına girdiğinden, çarklardan biri döndüğünde öbürünü de dönmeye zorlar. Böyle bir dişli takımının
sağlayacağı mekanik kazanç her iki çarktaki diş sayısına bağlıdır. Eğer hareket ettirici
dişlinin 80, öbürünün 20 dişi varsa, elde edilecek mekanik kazanç (kuramsal olarak) 80/20=4’tür.
Eğik Düzlem, Kama ve Vida
Eğik düzlem bütün bu makineler içinde en basit olanıdır, ama ağır yükleri kaldırmada çok işe yarar. Ağır bir sandığı sırtlanarak bir kamyona yüklemek yerine, kamyonun kasasına eğimli olarak yaslanan düzgün bir kalasın üzerinden iterek yüklemek çok daha kolaydır. Eğer hiç sürtünme olmasaydı, sandığı her iki yoldan kamyona yüklemek için yapılan iş aynı olurdu. Oysa uygulamada, eğik düzlemdeki sürtünme direncini yenerek yükü aynı yüksekliğe kaldırmak için daha büyük bir kuvvet uygulamak gerektiğinden yapılan iş daha büyüktür. Bir eğik düzlem dikleştikçe, daha doğrusu eğimi arttıkça, sağlayacağı mekanik kazanç azalır.
Eğik düzlemin özel bir türü olan kamalar bazen sivri uçlu kısa bir bıçak, bazen de kütük yarmak için kullanılan demirden ya da çelikten yapılmış bir takoz biçiminde karşımıza çıkar. Ama bu basit makinelerin ilkesini anlamanın en kolay yolu kamayla kütük yarma örneğidir. Üçgen prizma biçimindeki kamanın sivri ucu kütükteki ince bir yarığa saplandıktan sonra, düz ve genişçe olan tepesine bir balyozla vurulur. Kamanın giderek genişleyen yüzeyleri bu kuvvetin etkisiyle kütüğün içine doğru ilerledikçe yarığı iki yana doğru açarak genişletir. Buradaki yük, kütüğün yarılmaya karşı gösterdiği dirençtir ve genellikle uygulanan kuvvetten daha büyüktür. Üstelik kuvvetin büyük bir bölümü de sürtünme nedeniyle boşa gider.
Vidaların dişleri de aslında eğik düzlemden başka bir şey değildir. Ama bu düzlem düz bir çizgi boyunca uzanmaz; bir milin ya da cıvatanın çevresinde döne döne yükselen “sarmal” bir merdiven gibi dolanır. Bir ağaç vidası tornavidayla döndürüldüğünde, dişlerinin eğimine göre değişen “adımlarla” yol alarak tahtanın içinde ilerler. Makine parçalarını birleştirmeye yarayan cıvata ve somun çifti de aynı ilkeye dayanır. Cıvatanın dış yüzeyinde açılmış olan ve “vida dişi” ya da “cıvata dişi” denen yivler, somun deliğinin iç yüzeyindeki benzer dişlere oturacak biçimde düzenlenmiştir. Bu nedenle, somun döndürüldükçe cıvatanın üzerinde yavaş yavaş ilerler. Atölyelerde tezgâhın kenarına
takılan ve tahta ya da metal parçaları sıkıştırarak tutturmaya yarayan mengeneler de vidaların başka bir örneğidir.
Otomobillerde tekerlek değiştirilirken arabayı yükseltmeye yarayan vidalı krikolar genellikle bütün bu vida örneklerinden daha büyük bir mekanik kazanç sağlar. Örneğin arabanın yalnızca 1 mm kaldırılabilmesi için kriko kolunun 15 cm kadar hareket ettirilmesi gerekir. Bu, kuramsal olarak, 150 birimlik mekanik kazanç demektir; başka bir deyişle, kriko koluna 100 kilogramlık bir çekme kuvveti uygulayan kişi kuramsal olarak 15.000 kilogramlık, yani 15 tonluk bir kütleyi kaldırabilir. Ama uygulamada bu değer sürtünme nedeniyle 10 tona kadar düşer.
