اهرم چیست و چه کاربردهایی دارد؟
اهرم چگونه کار می‌کند؟ آشنایی با اجزا و اصول اولیه
اهرم از یک میلهٔ سفت و سخت تشکیل شده است که حول یک نقطهٔ ثابت به نام تکیه‌گاه می‌چرخد. برای به کارگیری اهرم، بر دو نقطه از آن نیرو وارد می‌کنیم:
- نیروی محرک (Effort): نیرویی که ما برای انجام کار وارد می‌کنیم (مثلاً وقتی دستهٔ الاکلنگ را فشار می‌دهیم).
- نیروی مقاوم (Load): نیرویی که در طرف مقابل قرار دارد و ما می‌خواهیم بر آن غلبه کنیم (مثلاً وزن سنگی که می‌خواهیم بلند کنیم).
راز قدرت اهرم در فاصله‌ای است که این نیروها از تکیه‌گاه دارند. هرچه نیروی محرک شما از تکیه‌گاه دورتر باشد، برای غلبه بر یک نیروی مقاوم مشخص، به نیروی کمتری نیاز خواهید داشت.
$ F_1 \times d_1 = F_2 \times d_2 $
که در آن F1 نیروی محرک، d1 فاصلهٔ آن تا تکیه‌گاه، F2 نیروی مقاوم و d2 فاصلهٔ آن تا تکیه‌گاه است.
انواع اهرم؛ دسته‌بندی بر اساس موقعیت تکیه‌گاه
اهرم‌ها را بر اساس موقعیت نسبی تکیه‌گاه، نیروی محرک و نیروی مقاوم به سه دسته یا رده تقسیم می‌کنند.
| نوع اهرم (رده) | توصیف و موقعیت اجزا | مثال‌های متداول |
|---|---|---|
| اهرم نوع اول | تکیه‌گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار دارد. می‌تواند هم نیرو را افزایش دهد و هم جهت آن را تغییر دهد. | الاکلنگ، قیچی، انبردست، ترازو |
| اهرم نوع دوم | نیروی مقاوم بین تکیه‌گاه و نیروی محرک قرار دارد. همیشه نیرو را افزایش می‌دهد (مزیت مکانیکی بیشتر از ۱). | فرغون، درب بازکن بطری، فندق‌شکن |
| اهرم نوع سوم | نیروی محرک بین تکیه‌گاه و نیروی مقاوم قرار دارد. نیرو را افزایش نمی‌دهد بلکه مسافت و سرعت حرکت را افزایش می‌دهد. | انبرک، چوب ماهیگیری، منگنه‌کننده |
مزیت مکانیکی؛ اندازه‌گیری قدرت اهرم
مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage یا MA) به ما می‌گوید که یک اهرم چند برابر نیروی ما را افزایش می‌دهد. به زبان ساده، اگر مزیت مکانیکی یک اهرم 3 باشد، یعنی می‌توانیم با یک سوم نیرو، یک جسم سه برابر سنگین‌تر را بلند کنیم.
مزیت مکانیکی از دو طریق قابل محاسبه است:
- مزیت مکانیکی ایده‌آل (IMA): این مزیت فقط به شکل و هندسهٔ اهرم بستگی دارد و از تقسیم فاصلهٔ نیروی محرک تا تکیه‌گاه بر فاصلهٔ نیروی مقاوم تا تکیه‌گاه به دست می‌آید:
$ IMA = \dfrac{d_{effort}}{d_{load}} $ - مزیت مکانیکی واقعی (AMA): در دنیای واقعی همیشه اصطکاک وجود دارد، بنابراین مزیت واقعی کمی کمتر است. این مزیت از تقسیم نیروی مقاوم بر نیروی محرک به دست می‌آید:
$ AMA = \dfrac{F_{load}}{F_{effort}} $
برای مثال، اگر فاصلهٔ دستهٔ فرغون (نیروی محرک) تا چرخ (تکیه‌گاه) 1.5 m و فاصلهٔ مرکز ثقل بار (نیروی مقاوم) تا چرخ 0.5 m باشد، مزیت ایده‌آل آن $ \dfrac{1.5}{0.5} = 3 $ خواهد بود.
اهرم‌ها در خدمت انسان؛ از بدن خودمان تا صنایع بزرگ
اهرم‌ها آنقدر در زندگی ما تنیده شده‌اند که شاید حتی متوجه حضورشان نباشیم. در این بخش به بررسی برخی از مهم‌ترین کاربردهای آن‌ها می‌پردازیم.
۱. اهرم در بدن انسان: بدن شما پر از اهرم‌های نوع سوم است! وقتی بازوی خود را خم می‌کنید، استخوان ساعد شما نقش میلهٔ اهرم، مفصل آرنج نقش تکیه‌گاه، عضلهٔ دو‌سر (زردپی) نیروی محرک و هر چیزی که در دست دارید نیروی مقاوم است. این اهرم‌ها به جای افزایش نیرو، دامنه‌ی حرکت و سرعت دست‌های ما را افزایش می‌دهند.
۲. اهرم در ابزارهای روزمره: بسیاری از ابزارهایی که استفاده می‌کنیم بر پایهٔ اهرم ساخته شده‌اند. یک دم‌باری نمونهٔ کامل یک اهرم نوع اول است که برای کشیدن میخ‌ها از چوب استفاده می‌شود. تکیه‌گاه آن نوکِ کوچکِ زیرین است، نیروی محرک دسته‌های آن است و نیروی مقاوم، میخی است که در حال کشیده شدن است.
۳. اهرم در ورزش و بازی: یک بیسبال یا چوب گلف یک اهرم نوع سوم طولانی است. بازیکن با گرفتن انتهای دسته (اعمال نیروی محرک نزدیک به تکیه‌گاه که مچ دست است)، به توپ (نیروی مقاوم) در انتهای دیگر، شتاب و سرعت بسیار زیادی می‌دهد.
۴. اهرم در صنعت و مهندسی: کاربرد اهرم در مقیاس‌های بزرگتر نیز چشمگیر است. جرثقیل‌های ساختمانی غول‌پیکر، از ترکیب اهرم‌ها و قرقره‌ها برای بلند کردن تیرآهن‌های چند تنی استفاده می‌کنند. حتی ترمزهای خودرو نیز از یک سیستم اهرمی برای انتقال نیروی کوچک پای شما به نیروی بزرگ مورد نیاز برای متوقف کردن لنت‌های ترمز استفاده می‌کنند.
راه‌حل: از فرمول $ IMA = \dfrac{d_{effort}}{d_{load}} $ استفاده می‌کنیم: $ 3 = \dfrac{d_{effort}}{0.5} $
بنابراین: $ d_{effort} = 3 \times 0.5 = 1.5 m $
پس باید در فاصلهٔ 1.5 m از تکیه‌گاه نیرو وارد کنید. حالا می‌توانید نیروی مورد نیاز را هم حساب کنید: $ F_{effort} = \dfrac{F_{load}}{IMA} = \dfrac{300}{3} = 100 N $. شما با 100 N نیرو، سنگی به وزن 300 N را بلند کرده‌اید!
پرسش‌های متداول و اشتباهات رایج درباره اهرم
بله، قطعاً کمک می‌کند، اما نه از طریق افزایش نیرو. مزیت اصلی اهرم‌های نوع سوم (مانند انبرک)، افزایش میزان جابجایی و سرعت نوک ابزار است. این باعث می‌شود کارهای ظریف و سریع (مانند برداشتن یک خرده‌ریز یا پرتاب یک توپ) با دقت و کنترل بیشتری انجام شود.
یک اشتباه رایج این است که فکر می‌کنیم تکیه‌گاه همیشه در مرکز اهرم قرار دارد. در حالی که تکیه‌گاه می‌تواند در هر نقطه‌ای از طول میله باشد و موقعیت آن است که نوع اهرم و مزیت مکانیکی آن را تعیین می‌کند. برای مثال، در فندق‌شکن (نوع دوم)، تکیه‌گاه در یک انتهای اهرم قرار دارد.
بله، این ویژگی منحصر به‌فرد اهرم‌های نوع اول است. در الاکلنگ، وقتی شما به سمت پایین فشار می‌آورید (نیروی محرک)، شخص مقابل به سمت بالا می‌رود (جهت نیرو تغییر کرده). همچنین اگر شما از تکیه‌گاه دورتر باشید، نیروی شما نیز افزایش یافته است.
پاورقی
1مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA): نسبت نیروی خروجی (مقاوم) به نیروی ورودی (محرک) در یک ماشین ساده که نشان‌دهندهٔ میزان افزایش نیرو است.
2تکیه‌گاه (Fulcrum): نقطهٔ ثابت یا محوری که یک اهرم حول آن می‌چرخد.