Εργαλεία και Μηχανές

          Α. Εργαλεία

  Με τον όρο εργαλείο εννοείται μια συσκευή παρέχει φυσική ή νοητική υποστήριξη στην εκπλήρωση ενός έργου. Τα περισσότερα εργαλεία είναι μορφές απλών μηχανών ή συνδυασμός τους. Εργαλείο είναι κάθε αντικείμενο με το οποίο εφαρμόζεται ενέργεια για την εκτέλεση μιας εργασίας από το ανθρώπινο σώμα.

  Στο παρελθόν θεωρείται πως μόνον ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε εργαλεία, αλλά η παρατήρηση επιβεβαίωσε ότι οι πίθηκοι και άλλα ζώα -κυρίως θηλαστικά όπως τα δελφίνια και ορισμένα πτηνά (το κοράκι για παράδειγμα)- ή έντομα χρησιμοποιούν εργαλεία. Τα πρώτα εργαλεία που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος ήταν από ξύλο και πέτρα.

  Αργότερα διατυπώθηκε η άποψη πως μόνον οι άνθρωποι μπορούν να κατασκευάζουν εργαλεία έως ότου οι ζωολόγοι  παρατήρησαν πως τα πτηνά και οι πίθηκοι επίσης κατασκευάζουν εργαλεία. Πλέον η σχέση με τα εργαλεία που χαρακτηρίζεται μοναδική για το ανθρώπινο είδος είναι ότι χρησιμοποιεί εργαλεία για να κατασκευάσει άλλα εργαλεία.

  Οι περισσότεροι ανθρωπολόγοι θεωρούν πως η χρήση των εργαλείων ήταν ένα σημαντικό βήμα στην ανθρώπινη εξέλιξη, κάτι που αντανακλάται στην ανατομία των δακτύλων και την κινητική τους ικανότητα, όπως επίσης και στην ανάπτυξη της διάνοιας ως επιβοηθητικής λειτουργίας στην εκμάθηση δεξιοτήτων. Αντίστροφα θεωρείται ότι η ανατομία των δακτύλων των ανθρώπων και γενικότερα των πρωτευόντων, και ειδικά ο αντίχειρας επέτρεψε στον άνθρωπο και τoυς προγόνους του την ευκολότερη χρήση εργαλείων δίνοντάς τους έτσι εξελικτικό πλεονέκτημα έναντι των υπόλοιπων ειδών.

  Την εποχή του χαλκού ακολουθεί η εποχή του σιδήρου. Ο σίδηρος άργησε πολύ να ανακαλυφτεί από τον άνθρωπο. Μόλις το 1500 π.Χ. εμφανίζονται τα πρώτα εργαλεία από αυτόν. Στην Ελλάδα το μέταλλο αυτό έγινε γνωστό με την κάθοδο των Δωριέων, 1200 π.Χ. Τα εργαλεία είναι πιο ανθεκτικά, καλύτερα και θα διαδραματίσουν σπουδαίο ρόλο στην ιστορία της ανθρωπότητας. Έως το 1500 μ.Χ. τα εργαλεία και τα όπλα παρέμεναν βασικά τα ίδια με τα εργαλεία των αρχαίων. Εξαίρεση ίσως θα μπορούσε να θεωρηθεί η με την ανακάλυψη και χρησιμοποίηση της μπαρούτης κατασκευή κανονιών, η κατασκευή της πυξίδας κλπ. Βασικά όμως η πρόοδος της κατασκευής εργαλείων γινόταν με πολύ αργό ρυθμό, ήταν σχεδόν στάσιμη.

           Ιστορία

  Κατά την εξελικτική του πορεία ο άνθρωπος έμαθε να χρησιμοποιεί όλο και πιο σύνθετα εργαλεία για να αυξάνει την ικανότητα των χεριών του και να εκτελεί εργασίες για τις οποίες δεν αρκούσε η απλή δύναμη των μυών του. Τα πρώτα εργαλεία ήταν ακατέργαστα κλαδιά, ρόπαλα και πέτρες που ο άνθρωπος έβρισκε στο περιβάλλον του.

  Η συνειδητή κατασκευή των εργαλείων ξεκίνησε στην εποχή του λίθου, όταν οι κυνηγοί τροφοσυλλέκτες κατασκεύασαν εργαλεία κοπής, αιχμές βελών, πρωτόγονα αγκίστρια και σκεύη μεταφοράς. Έχουν βρεθεί εργαλεία κοπής φτιαγμένα από λίθο τα οποία είναι πολύ αιχμηρά και πολύ δύσκολα στην κατασκευή τους, που γινόταν χτυπώντας τον οψόλιθο με κόκαλα. Αν το χτύπημα γινόταν σε λάθος γωνία ή με λάθος ένταση, το εργαλείο έσπαζε και αχρηστευόταν.

  Σύμφωνα με το σύστημα τριών εποχών, τη χρήση λίθινων εργαλείων ακολούθησε η ανάπτυξη της μεταλλουργίας και η χρήση χάλκινων και αργότερα σιδερένιων εργαλείων. Αν και δεν αποτελεί τον κανόνα για όλους τους πολιτισμούς, οι περισσότεροι ακολούθησαν αυτή γενικά την πορεία.

  Οι μηχανικές συσκευές, αν και γνωστές από την Ελληνιστική περίοδο εξαπλώθηκαν ιδιαίτερα κατά τον μεσαίωνα κυρίως εξαιτίας της ευρείας χρήσης των ενεργειακών πηγών του αέρα και του νερού (ανεμόμυλος, νερόμυλος, άρδευση κλπ.).

Τα μηχανικά εργαλεία προέκυψαν κατά την βιομηχανική επανάσταση, εξαιτίας της ανάγκης εκτέλεσης πολύπλοκων και συγχρονισμένων ενεργειών, τις οποίες δεν μπορούσε να υποκαταστήσει η ανθρώπινη δραστηριότητα.

          Β. Μηχανές

  Γενικά μηχανή ή μηχάνημα ονομάζεται οποιοδήποτε εργαλείο ή μέσον που μπορεί να διευκολύνει την ανθρώπινη εργασία ή που μπορεί να αυξήσει τη δύναμη ή την αποτελεσματικότητά της. Επίσης οποιαδήποτε συσκευή που χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου, είτε μεταδίδοντας είτε μετατρέποντας άλλη μορφή ενέργειας σε παραγωγή έργου. Ακόμη μπορεί να εννοείται και κάθε ευφυής επινόηση.

         Αρχαιότητα

  Στην αρχαιότητα, οι αρχαίοι Έλληνες απέδιδαν την σημασία της πρώτης παραπάνω πρότασης που αναφέρεται ως ορισμός από τον Βιτρούβιο, ενώ διέκριναν δύο είδη μηχανών: τις απλές και τις σύνθετες. Στις απλές ανήκαν οι μοχλοί, η σφήνα, ο κοχλίας, το πολύσπαστο, κ.ά. Στις σύνθετες ανήκαν οι υδραυλικές μηχανές, οι βιομηχανικές (μύλοι άλεσης και σύνθλιψης), οι υψωτικές ή ανυψωτικές, οι πολεμικές και οι μηχανές θεάτρου.

  Κατά τη μηχανολογία, η μηχανή είναι ένα σύνολο μηχανικών μερών και μηχανισμών ικανών να μετατρέψουν μια ενέργεια τροφοδότησης σε μία διαφορετικού ή ίδιου τύπου αλλά με διαφορετικές παραμέτρους τελική ενέργεια, προκειμένου να την χορηγήσουν σε άλλες μηχανές ή να την χρησιμοποιήσουν άμεσα για να πραγματοποιήσουν συγκεκριμένες διαδικασίες παραγωγής έργου.

  Tην ανάγκη χρησιμοποίησης εργαλείων την ένοιωσε ο άνθρωπος από την παλαιολιθική εποχή. Κατασκεύαζε πέτρινα εργαλεία και όπλα, λαξεύοντας τους λίθους που βρίσκονταν δίπλα στη σπηλιά του. Πολλά τέτοια εργαλεία έχουν βρεθεί από τους αρχαιολόγους στους διάφορους παλαιολιθικούς οικισμούς. Πιστεύεται όμως ότι η ανακάλυψη του εργαλείου έγινε παλιότερα.

        Κινητήριες μηχανές

  Κινητήρια μηχανή ονομάζεται γενικά κάθε μηχανή που παράγει κινητήριο ωφέλιμο μηχανικό έργο. Τέτοιες μηχανές είναι των σιδηροδρόμων, των πλοίων, των αυτοκινήτων, αεροπλάνων, διαφόρων αντλιών, καθώς και οι μηχανές γεννητριών παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Η διάταξη της σύγχρονης γενικά μηχανής είναι τέτοια ώστε να επιτυγχάνεται τελικά η κίνηση του λεγόμενου άξονα της μηχανής, από τον οποίο και παραλαμβάνεται το κινητήριο ή ωφέλιμο έργο.

  Όλες οι κινητήριες μηχανές κατά την λειτουργία τους παραλαμβάνουν κατά κανόνα ενέργεια κάποιας μορφής π.χ. θερμική, ηλεκτρική ή υδραυλική κλπ. και την μετατρέπουν (ορθότερα μέρος αυτής) σε μηχανική ενέργεια ή κινητήριο έργο.

  Ανάλογα με τη μορφή της ενέργειας που χρησιμοποιούν οι κινητήριες μηχανές διακρίνονται σε:

·         Θερμικές μηχανές ή θερμοκινητήρες: Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι ατμομηχανές, οι ατμοστρόβιλοι, οι αεριοστρόβιλοι, οι βενζινοκινητήρες ή βενζινομηχανές, οι αεριομηχανές, οι πετρελαιομηχανές ή κινητήρες Diesel κ.ά.

·         Υδραυλικοί κινητήρες. Στην κατηγορία αυτή οι μηχανές καταναλώνουν υδραυλική ενέργεια.

·         Ηλεκτρικοί κινητήρες ή ηλεκτροκινητήρες.

       Θερμικές μηχανές

  Θερμικές μηχανές ή θερμοκινητήρες ονομάζονται οι μηχανές, οι οποίες μετατρέπουν την θερμότητα που παράγεται από την χημική ενέργεια της καύσης σε μηχανικό έργο.

  Ανάλογα με τον τρόπο πραγματοποίησης της καύσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στις μηχανές εσωτερικής καύσεως (Μ.Ε.Κ.) και στις μηχανές εξωτερικής καύσεως ή ατμομηχανές.

·         Εσωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές που ως μέσο για την παραγωγή έργου (εργαζόμενο μέσο) χρησιμοποιούν την καύση του καυσίμου στο εσωτερικό του κινητήρα και το έργο παράγεται από τα προκύπτοντα καυσαέρια, που έχουν υψηλή θερμοκρασία και πίεση, όπως συμβαίνει στους κινητήρες βενζίνης και πετρελαίου των αυτοκινήτων και στον αεροστρόβιλο του αεροπλάνου.

·         Εξωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές όπου η καύση δεν λαμβάνει χώρα στο χώρο παραγωγής έργου, αλλά έξω από αυτόν και στις οποίες το μέσο παραγωγής έργου δεν είναι το καυσαέριο, αλλά κάποιο άλλο στοιχείο όπως π.χ. νερό. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι ατμοστρόβιλοι, οι ατμομηχανές.

   Ανάλογα με τον τρόπο μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε μηχανικό έργο, οι θερμικές μηχανές διακρίνονται σε εμβολοφόρους ή παλινδρομικές (ισχύουν τόσο για τις μηχανές εσωτερικής όσο και για τις εξωτερικής καύσεως) και σε περιστροφικές ή στροβίλους (στις μηχανές εσωτερικής καύσης ονομάζονται αεριοστρόβιλοι και στις εξωτερικής καύσεως ατμοστρόβιλοι).

  Ειδικότερα, όμως, στις εμβολοφόρους - παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσης, η έναυση στον κύλινδρο μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με τη βοήθεια εξωτερικού μέσου (π.χ. σπινθήρα), είτε αυτόματα, λόγω μεγάλης συμπίεσης του καυσίμου μαζί με τον απαιτούμενο αέρα για την καύση. Στην πρώτη περίπτωση υπάγονται οι ΄΄κινητήρες Όττο΄΄, που διακρίνονται σε αεριομηχανές και σε βενζινομηχανές, και στη δεύτερη οι μηχανές Ντίζελ ή πετρελαιομηχανές.

      Υδραυλικές μηχανές

  Οι υδραυλικές μηχανές μετατρέπουν την κινητική ενέργεια ενός υγρού σε κίνηση, κυρίως του νερού σε ενέργεια μηχανική και αντίστροφα.

  Στην πρώτη περίπτωση έχουμε τις κινητήριες υδραυλικές μηχανές (υδραυλικές τουρμπίνες, υδραυλικούς τροχούς, κινητήρες με στήλη νερού), στη δεύτερη περίπτωση έχουμε τις ενεργειακές υδραυλικές μηχανές (αντλίες με πιστόνι, αντλίες περιστροφής).

  Ανάμεσα στις υδραυλικές μηχανές μετάδοσης συγκαταλέγονται οι πρέσες, οι στριφτές και οι υδραυλικοί γρύλοι, μεταξύ των μετασχηματιστών οι εγχυτήρες και οι υδραυλικοί δριοί.

      Ηλεκτρικές μηχανές

  Οι ηλεκτρικές μηχανές μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική (γεννήτριες) ή αντίστροφα (κινητήρες) ή μετατρέπουν ηλεκτρική ενέργεια με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά σε ηλεκτρική διαφορετικών χαρακτηριστικών.

  Η αρχή λειτουργίας βασίζεται πάνω στην παραγωγή ηλεκτροκινητικών δυνάμεων για ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Γι’ αυτό το σκοπό μετατρέπεται στο ένα μέρος της μηχανής, που ονομάζεται επαγώγιμο, η μαγνητική ροή που παράγεται από ένα άλλο μέρος που παίρνει το όνομα επαγωγέας. Η μετατροπή της ροής επιτυγχάνεται μέσω μιας περιστροφικής κίνησης μεταξύ του επαγώγιμου και του επαγωγέα. Το σταθερό τμήμα της μηχανής ονομάζεται στάτορας, το κινητό ρότορας. Οι λειτουργίες του επαγώγιμου ή του επαγωγέα μπορούν να αποδοθούν ανάλογα με τις περιπτώσεις είτε στον στάτορα, είτε στον ρότορα.