اهرم‌ها: نیروی کوچک، کارهای بزرگ
اهرم چیست و چگونه کار می‌کند؟
یک اهرم، در ساده‌ترین شکل خود، یک میلهٔ سفت و سخت است که حول یک نقطهٔ ثابت به نام تکیه‌گاه۲ می‌چرخد. نیرویی که ما به اهرم وارد می‌کنیم، نیروی محرک۳ نام دارد. نیرویی که اهرم بر جسم وارد می‌کند تا کار مورد نظر ما (مانند بلند کردن یا جابه‌جایی) انجام شود، نیروی مقاوم۴ نامیده می‌شود. اصل اساسی کار اهرم‌ها، تضمین نیرو یا تضمین مسافت است.
برای مثال، فرض کنید می‌خواهید با یک اهرم سنگی بزرگ را بلند کنید. اگر تکیه‌گاه را خیلی نزدیک به سنگ قرار دهید، باید نیروی زیادی وارد کنید. اما اگر تکیه‌گاه را از سنگ دور کنید و انتهای دیگر اهرم را فشار دهید، با نیروی کمتری می‌توانید سنگ را بلند کنید، البته دستۀ اهرم مسافت بیشتری را طی خواهد کرد.
سه نوع اصلی اهرم
اهرم‌ها بر اساس موقعیت نسبی تکیه‌گاه، نیروی محرک و نیروی مقاوم به سه دسته یا درجه تقسیم می‌شوند.
| نوع اهرم (درجه) | ویژگی (ترتیب اجزا) | مزیت مکانیکی | مثال‌های متداول |
|---|---|---|---|
| اهرم نوع اول | تکیه‌گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار دارد. | می‌تواند بزرگتر از 1 باشد (اگر $d_e > d_r$). جهت نیرو را نیز تغییر می‌دهد. | الاکلنگ، قیچی، دیلم، ترازوی دوکفه‌ای |
| اهرم نوع دوم | نیروی مقاوم بین تکیه‌گاه و نیروی محرک قرار دارد. | همیشه بزرگتر از 1 است. برای بلند کردن اجسام سنگین عالی است. | فرغون، درب بازکن بطری، فندق‌شکن |
| اهرم نوع سوم | نیروی محرک بین تکیه‌گاه و نیروی مقاوم قرار دارد. | همیشه کوچکتر از 1 است. نیرو را افزایش نمی‌دهد اما مسافت و سرعت حرکت را افزایش می‌دهد. | انبرک، چوب ماهیگیری، قاشق، جاروی دسته‌بلند |
اهرم‌ها در خانه، کار و بدن ما
با نگاهی دقیق‌تر به محیط اطراف، ده‌ها نمونه از اهرم‌ها را خواهید یافت. بیایید برخی از این کاربردهای عملی را بررسی کنیم.
در آشپزخانه: وقتی با یک درب‌بازکن درب بطری را باز می‌کنید، در حال استفاده از یک اهرم نوع دوم هستید. لبۀ درب‌بازکن که روی درب بطری قرار می‌گیرد، تکیه‌گاه است. دستۀ درب‌بازکن جایی است که نیروی محرک را وارد می‌کنید و درب بطری، نیروی مقاوم است. چون نیروی مقاوم (درب) بین تکیه‌گاه و نیروی محرک قرار دارد، با نیروی کمی می‌توانید درب سفت بطری را باز کنید. قیچی نیز یک اهرم نوع اول مرکب است (دو اهرم که با هم کار می‌کنند).
در کارگاه یا باغ:فرغون یک اهرم نوع دوم کلاسیک است. چرخ فرغون، تکیه‌گاه است. بار داخل فرغون، نیروی مقاوم است و دسته‌هایی که شما بلند می‌کنید، محل اعمال نیروی محرک. این طراحی باعث می‌شود بلند کردن بارهای سنگین بسیار آسان‌تر شود. بیل نیز هنگام بلند کردن خاک، به عنوان یک اهرم نوع اول عمل می‌کند.
در بدن انسان: بدن شما یک سیستم پیچیده از اهرم‌هاست. وقتی روی ساعد خود تکیه می‌زنید و کتابی را در کف دست می‌گیرید، در حال استفاده از یک اهرم نوع اول هستید. آرنج شما تکیه‌گاه است، عضلات پشت بازو نیروی محرک را اعمال می‌کنند و وزن کتاب و ساعد، نیروی مقاوم است. راه رفتن، دویدن و حتی تکان دادن سر همگی با کمک اهرم‌های موجود در استخوان‌بندی و عضلات شما ممکن می‌شوند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ ماشین‌های ساده (Simple Machines): ابزارهای پایه‌ای که کار را با تغییر اندازه یا جهت نیرو آسان‌تر می‌کنند، مانند اهرم، سطح شیبدار، قرقره و چرخ و محور.
۲ تکیه‌گاه (Fulcrum): نقطه‌ای ثابت که اهرم حول آن می‌چرخد.
۳ نیروی محرک (Effort Force): نیرویی که توسط کاربر به اهرم وارد می‌شود.
۴ نیروی مقاوم (Resistance Force / Load): نیرویی که اهرم باید بر آن غلبه کند (مانند وزن یک جسم).
۵ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage): نسبت نیروی مقاوم به نیروی محرک که نشان می‌دهد اهرم چند برابر نیرو را افزایش می‌دهد.