اهرم: ماشین‌های ساده‌ای که دنیا را جابه‌جا می‌کنند
اهرم چیست و چگونه کار می‌کند؟
یک اهرم در ساده‌ترین حالت، یک میله‌ی صلب است که حول یک نقطه‌ی ثابت به نام تکیه‌گاه۲ می‌چرخد. با اعمال نیرو به یک نقطه از این میله (که به آن نیروی محرک۳ یا نیروی ورودی می‌گوییم)، می‌توانیم بر جسمی در نقطه‌ای دیگر از میله غلبه کنیم (که به آن نیروی مقاوم۴ یا نیروی خروجی گفته می‌شود). این اصل پایه‌ی کار تمام اهرم‌هاست.
برای درک بهتر، الاکلنگ را تصور کنید. نقطه‌ی وسط الاکلنگ، تکیه‌گاه است. وقتی شما روی یک طرف می‌نشینید، نیروی وزن شما به عنوان نیروی محرک عمل می‌کند و نفر مقابل که می‌خواهد بالا برود، نیروی مقاوم است. اگر شما سنگین‌تر باشید یا به تکیه‌گاه نزدیک‌تر شوید، تعادل به هم می‌خورد.
دسته‌بندی سه‌گانه‌ی اهرم‌ها
اهرم‌ها بر اساس ترتیب قرارگیری سه بخش اصلی (تکیه‌گاه، نقطه‌ی اعمال نیروی محرک و نقطه‌ی اعمال نیروی مقاوم) به سه دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند. هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.
| نوع اهرم | ترتیب اجزا | مزیت مکانیکی | مثال‌های رایج |
|---|---|---|---|
| اهرم نوع اول تکیه‌گاه در وسط | تکیه‌گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار دارد. | می‌تواند بزرگ‌تر، کوچک‌تر یا مساوی 1 باشد. بستگی به فاصله‌ی نسبی اجزا از تکیه‌گاه دارد. | الاکلنگ، قیچی، انبردست، ترازو |
| اهرم نوع دوم نیروی مقاوم در وسط | نیروی مقاوم بین تکیه‌گاه و نیروی محرک قرار دارد. | همیشه بزرگ‌تر از 1 است. یعنی در افزایش نیرو تخصص دارد. | فرغون، درب بازکن بطری، فندق‌شکن |
| اهرم نوع سوم نیروی محرک در وسط | نیروی محرک بین تکیه‌گاه و نیروی مقاوم قرار دارد. | همیشه کوچک‌تر از 1 است. یعنی نیرو را کاهش اما سرعت و مسافت حرکت را افزایش می‌دهد. | انبرک، جاروی دسته‌بلند، راکت تنیس، ماهیچه‌های بازو |
بررسی دقیق‌تر هر نوع اهرم
حالا بیایید هر یک از این دسته‌ها را با جزئیات بیشتر و مثال‌های بیشتری بررسی کنیم.
اهرم نوع اول: تعادل و کنترل
در این اهرم، تکیه‌گاه مانند نقطه‌ی مرکزی عمل می‌کند. اگر تکیه‌گاه دقیقاً در وسط باشد (مانند ترازوی دوکفه‌ای قدیمی)، مزیت مکانیکی 1 است و نیروی ورودی و خروجی برابرند. اما اگر تکیه‌گاه به نیروی مقاوم نزدیک‌تر باشد (مانند قیچی فلزبری که دسته‌های بلندی دارد)، بازوی محرک بسیار بلندتر از بازوی مقاوم می‌شود و در نتیجه می‌توان با نیروی کم، بر مقاومت زیادی غلبه کرد. برعکس، اگر تکیه‌گاه به نیروی محرک نزدیک باشد (مانند یک اهرم برای بلند کردن سریع یک شیء سبک)، مسافت حرکت در سمت خروجی افزایش می‌یابد. این نوع اهرم در ابزارهای برش و بلند کردن اجسام سنگین بسیار رایج است.
اهرم نوع دوم: قدرت‌بخش
مشخصه‌ی اصلی این اهرم این است که نیروی مقاوم (بار) همیشه بین تکیه‌گاه و نقطه‌ی اعمال نیروی شما قرار دارد. این آرایش باعث می‌شود که بازوی محرک همواره از بازوی مقاوم بلندتر باشد. طبق فرمول اهرم، برای غلبه بر یک نیروی مقاوم مشخص، به نیروی محرک کمتری نیاز داریم. به عبارت دیگر، مزیت مکانیکی همیشه بیشتر از 1 است. فرغون یک مثال عالی است: چرخ (تکیه‌گاه) در جلو قرار دارد، بار سنگین (نیروی مقاوم) در جام فرغون (بین چرخ و دسته‌ها) است و شما با بلند کردن دسته‌ها (اعمال نیروی محرک) به راحتی بار بسیار سنگین‌تری را بلند می‌کنید.
اهرم نوع سوم: سرعت‌بخش و دقت‌افزا
این اهرم برعکس نوع دوم عمل می‌کند. در اهرم نوع سوم، نیروی محرک (نیرویی که شما وارد می‌کنید) بین تکیه‌گاه و نیروی مقاوم قرار دارد. این تنظیم باعث می‌شود بازوی محرک از بازوی مقاوم کوتاه‌تر باشد. در نتیجه، مزیت مکانیکی کمتر از 1 است، یعنی شما باید نیروی بیشتری نسبت به نیروی خروجی اعمال کنید. اما این یک معامله است: شما نیرو را از دست می‌دهید، اما در عوض مسافت و سرعت حرکت در انتهای اهرم را به دست می‌آورید. انبرک نمونه‌ی کاملی است: شما نزدیک به تکیه‌گاه (مفصل انبرک) نیرو وارد می‌کنید، اما نوک انبرک مسافت بیشتری را با سرعت بیشتری طی می‌کند تا اجسام ریز را با دقت بردارد. بدن انسان نیز پر از اهرم نوع سوم است، مانند ماهیچه‌ی دو سر بازو که استخوان ساعد را حرکت می‌دهد.
اهرم‌ها در خدمت انسان: از خانه تا صنعت
اهرم‌ها آنقدر در زندگی ما تنیده شده‌اند که شاید متوجه حضور آن‌ها نباشیم. هنگام باز کردن درب بطری آب با درب‌بازکن، از یک اهرم نوع دوم استفاده می‌کنید تا با نیروی کم، درب محکم بطری را باز کنید. وقتی با جارو زمین را تمیز می‌کنید، دست‌های شما نزدیک به بالای دسته (تکیه‌گاه) نیرو وارد می‌کند و سر جارو (نیروی مقاوم) با سرعت زیاد حرکت می‌کند که این یک اهرم نوع سوم است. حتی عمل ساده‌ی راه رفتن نیز شامل کارکرد اهرم‌ها در استخوان‌ها و مفاصل پا می‌شود. در مقیاس بزرگ‌تر، جرثقیل‌های غول‌پیکر در ساختمان‌سازی از ترکیب چندین اهرم (اغلب نوع اول و دوم) برای بلند کردن تیرآهن‌های چند تنی استفاده می‌کنند.
سؤالات متداول درباره‌ی اهرم‌ها
پاورقی
۱ انواع اهرم (Types of Levers)
۲ تکیه‌گاه (Fulcrum)
۳ نیروی محرک/ورودی (Effort/Input Force)
۴ نیروی مقاوم/خروجی (Load/Output Force)
۵ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA)
۶ بازوی محرک (Effort Arm)
۷ بازوی مقاوم (Load Arm)