اهرم نوع اول؛ تکیه‌گاه بین نیرو و جسم

اهرم نوع اول: اصول بنیادی و کاربردهای شگفت‌انگیز

اهرم چیست و انواع آن کدام‌اند؟

یک اهرم، وسیله‌ای ساده است که از یک میله‌ی صلب تشکیل شده که حول یک نقطه‌ی ثابت به نام تکیه‌گاه می‌چرخد. اهرم‌ها برای انجام کارها به ما کمک می‌کنند؛ یا باعث می‌شوند نیروی کمتری برای جابجایی یک جسم سنگین وارد کنیم، یا مسافت حرکت را افزایش دهند، یا جهت نیرو را تغییر دهند. دانشمندان اهرم‌ها را بر اساس موقعیت نسبی تکیه‌گاه، نیروی محرک (نیرویی که ما وارد می‌کنیم) و نیروی مقاوم (نیرویی که باید بر آن غلبه کنیم) به سه دسته تقسیم می‌کنند.

شناسایی اجزای اصلی اهرم نوع اول

برای درک اهرم نوع اول، ابتدا باید سه بخش اصلی آن را به خوبی بشناسیم:

1. تکیه‌گاه : نقطه‌ای است که میله‌ی اهرم حول آن می‌چرخد. در اهرم نوع اول، این نقطه حتماً بین دو نیرو قرار دارد.
2. نیروی محرک : نیرویی است که ما برای انجام کار بر اهرم وارد می‌کنیم. این نیرو معمولاً با نماد $F_e$ نشان داده می‌شود.
3. نیروی مقاوم یا : نیرویی است که باید بر آن غلبه کنیم، مانند وزن یک سنگ. این نیرو معمولاً با نماد $F_r$ نشان داده می‌شود.

فاصله‌ی بین تکیه‌گاه و نقطه‌ی اعمال نیروی محرک را بازوی محرک^۵ ($d_e$) و فاصله‌ی بین تکیه‌گاه و نقطه‌ی اعمال نیروی مقاوم را بازوی مقاوم^۶ ($d_r$) می‌نامند.

قانون طلایی اهرم‌ها و فرمول محاسبه

اهرم‌ها بر اساس یک قانون فیزیکی بسیار مهم کار می‌کنند که اولین بار توسط ارشمیدس بیان شد: «هرچه بازوی محرک بلندتر باشد، برای غلبه بر یک نیروی مقاوم معین، به نیروی کمتری نیاز دارید.» این مفهوم به صورت ریاضی در قانون اهرم خلاصه می‌شود:

نیروی محرک × بازوی محرک = نیروی مقاوم × بازوی مقاوم

که به صورت فرمول زیر نوشته می‌شود:

این فرمول به ما می‌گوید که حاصل‌ضرب نیرو در فاصله از تکیه‌گاه در هر دو سمت اهرم باید با هم برابر باشند تا اهرم در حالت تعادل قرار گیرد.

مزیت مکانیکی: قدرت پنهان اهرم نوع اول

مزیت مکانیکی^۷ عددی است که نشان می‌دهد یک ماشین ساده (مانند اهرم) چند برابر نیروی ما را افزایش می‌دهد. برای اهرم‌ها، مزیت مکانیکی ایده‌آل ($IMA$) از تقسیم طول بازوی محرک بر طول بازوی مقاوم به دست می‌آید:

در اهرم نوع اول، بسته به موقعیت تکیه‌گاه، مزیت مکانیکی می‌تواند بزرگ‌تر، کوچک‌تر یا برابر با ۱ باشد:

• اگر تکیه‌گاه به نیروی مقاوم نزدیک‌تر باشد ($d_e > d_r$)، مزیت مکانیکی بیشتر از ۱ است. یعنی نیروی شما تقویت می‌شود (مثل الاکلنگ زمانی که فرد سبک‌تر دورتر بنشیند).
• اگر تکیه‌گاه به نیروی محرک نزدیک‌تر باشد ($d_e )، مزیت مکانیکی کمتر از ۱ است. در این حالت، نیرو تقویت نمی‌شود، اما مسافت و سرعت حرکت افزایش می‌یابد (مثل استفاده از انبر برای گرفتن یک شیء سریع).
• اگر تکیه‌گاه دقیقاً در وسط باشد ($d_e = d_r$)، مزیت مکانیکی برابر ۱ است. در این حالت اهرم فقط جهت نیرو را تغییر می‌دهد (مثل یک قیچی معمولی).

اهرم نوع اول در عمل: از زمین بازی تا کارگاه

شما هر روزه با اهرم‌های نوع اول سروکار دارید، حتی اگر متوجه آن نباشید. در اینجا به چند نمونه‌ی بسیار رایج اشاره می‌کنیم:

تصور کنید می‌خواهید با یک الاکلنگ، دوست خود را که از شما سنگین‌تر است، بالا ببرید. طبق قانون اهرم، باید تکیه‌گاه را به سمت دوست خود جابجا کنید تا بازوی محرک شما ($d_e$) بلندتر از بازوی مقاوم او ($d_r$) شود. در این حالت، مزیت مکانیکی افزایش یافته و شما با نیروی کمتری می‌توانید او را بلند کنید.

پرسش‌های متداول و تصورات نادرست

پاورقی

^۱ First-Class Lever
^۲ Fulcrum
^۳ Effort Force
^۴ Resistance Force / Load
^۵ Effort Arm
^۶ Resistance Arm / Load Arm
^۷ Mechanical Advantage (MA)