Yksinkertainen kone

Yksinkertaiset koneet eli alkeiskoneet ovat yksinkertaisimpia välineitä, joilla voidaan muuttaa johonkin kohteeseen vaikuttavan voiman suuntaa tai suuruutta. Yleisesti yksinkertaiset koneet voidaan määritellä yksin­kertaisimmiksi laitteiksi, joiden avulla jokin kappale voidaan saada liikkeeseen pienemmällä voimalla kuin ilman niitä. Tätä mekaanista hyötyä kuvaa koneen välityssuhde eli sen aikaansaaman voiman suhde siihen kohdistuvaan voimaan.

Historia

Yksinkertaiset koneet kuten vipu monine sovelluksineen sekä pyörä ovat olleet tunnettuja jo esi­historiallisena aikana, mutta teoreettiselta kannalta niitä tutki tiettävästi ensimmäisenä kreikkalainen filosofi Arkhimedes 200-luvulla eaa. Häneltä on myös peräisin niille annettu yhteis­nimitys yksin­kertaiset koneet, ja hän käsitteli niistä systemaattisesti kolmea: vipua, väkipyörää ja ruuvia. Hän tunsi vivun välitys­suhteen käsitteen. Myöhemmät kreikkalaiset filosofit määrittelivät viisi yksinkertaista konetta; joukosta puuttui kalteva taso, ja he osasivat kutakuinkin laskea kunkin välityssuhteen. Heron Aleksandrialainen luetteli teoksessaan "Mekaniikka" viisi laitetta, jolla voitiin "saattaa kuorma liikkeeseen": vipu, vintturi, väkipyörä, kiila ja ruuvi sekä kuvasi niiden valmistusta ja käyttöä. Myöhemmin Pappos mainitsi, että hammaspyörillä voitiin sekä suurentaa että pienentää voimia. Kreikkalaisten teoreettinen tieto yksin­kertaisista koneista rajoittui kuitenkin yksinomaan statiikkaan, voimien tasapainoon, sillä he osanneet käsitellä niitä dymaniikan kannalta eivätkä tunteneet fysikaalisen työn käsitettä.
Renessanssin aikana "mekaanisia voimia", joiksi yksin­kertaisia koneita nimitettiin, alettiin tutkia siltä kannalta, minkä verran hyödyllistä työtä niillä voidaan tehdä, mikä vähitellen johti mekaanisen työn käsitteen kehittymiseen. Vuonna 1586 flaamilainen insinööri Simon Stevin johti lausekkeen kaltevan tason välitys­suhteelle, mistä lähtien sekin on luettu yksin­kertaisten koneiden joukkoon. Täydellisen dymaamisen teorian yksin­kertaisista kohteista kehitti italialainen Galileo Galilei vuonna 1600 teoksessaan Le Meccaniche (Mekaniikka). Hän ymmärsi ensimmäisenä, että yksinkertaiset koneet eivät luo energiaa, ainoastaan muuttavat sitä muodosta toiseen.
Koneissa esiintyvän liukukitkan klassiset lait keksi Leonardo da Vinci (1452–1519), mutta hän ei julkaissut tutkimuksiaan, vaan ne säilyivät vain hänen muisti­kirjoissaan. Ne keksi uudestaan Guillaume Amontons vuonna 1699, ja niitä kehitti edelleen Charles Augustin de Coulomb vuonna 1785.

Tasapainoehdot

Vipu on tasapainossa, kun kaikkien niiden voimen momenttien summa tuki­pisteeseen nähden, jotka pyrkivät vääntämään vipua yhteen suuntaan, on yhtä suuri kuin kaikkien niiden voimien momenttien summa, jotka pyrkivät vääntämään sitä päin­vastaiseen suuntaan.
Useamman väkipyörän muodostama talja, jossa on kiinteitä ja liikkuvia väki­pyöriä yhtä monta, on tasa­painossa, kun kuorman suhde syöttö­voimaan on sama kuin väki­pyörien lukumäärä.
Kaltevalla tasolla oleva kappale on tasa­painossa, kun pinnan suuntaan vaikuttavan voiman suhde kuorman painoon on sama kuin pinnan korkeuden suhde sen pituuteen, tai kun vaaka­suoraan, kannan suuntaan vaikuttavan voiman suhde kuorman painoon on yhtä suuri kuin pinnan korkeuden suhde sen kantaan.
Kiila on tasa­painossa, kun työntävän voiman suhde toista sivua vastaan vaikuttavaan voimaan on yhtä suuri kuin kiilan pään leveyden suhde sen sivun pituuteen.
Ruuvi on tasapainossa, kun syöttö­voiman suhde kuormaan on sama kuin ruuvin kierteen nousu ruuvi­sylinterin kannan kehään.

Kinemaattiset ketjut

Yksin­kertaiset koneet ovat alkeelli­simpia esi­merkkejä kine­maattisista ketjuista, joilla mallinnetaan erilaisia mekaanisia systee­mejä höyrykoneista robotteihin saakka. Kiinnittimiä tai akseleita, jotka muodostavat vivun tukipisteen tai mahdollistavat pyörän tai väkipyörän pyörimisen, sanotaan saranoiduksi liitokseksi. Samaan tapaan kalteva taso tai kiilan pinta muodostavat osan kine­maatti­sesta parista, jota sanotaan liukuvaksi liitokseksi. Ruuvin katsotaan usein muodostavan oman­laisensa kine­maattisen parin, jota sanotaan pyörteiseksi liitokseksi.
Kaksi vipua tai kampea voidaan yhdistää neljän tangon liitokseksi nivelellä, joka toisen kammen ulos kohdostama voima siirtyy toisen tangon syöttövoimaksi. Niveliä lisäämällä voidaan edelleen rakentaa kuuden tangon liitos tai niitä voidaan yhdistää enemmänkin jopa robotin valmistamiseksi.