اهرم نوع دوم: وقتی دنیا روی نوک انگشتان تو می‌چرخد
اهرم‌ها را بهتر بشناسیم: یک نگاه کلی
قبل از پرداختن به جزئیات اهرم نوع دوم، باید بدانیم اهرم چیست. یک اهرم ساده، یک میلهٔ صلب (سفت و سخت) است که حول یک نقطهٔ ثابت به نام تکیه‌گاه می‌چرخد. با اعمال نیرو در یک نقطه از این میله (نیروی محرک)، می‌توان بر بار یا مقاومتی که در نقطه‌ای دیگر قرار دارد، غلبه کرد. دانشمندان اهرم‌ها را بر اساس موقعیت نسبی سه بخش اصلی — تکیه‌گاه، نیروی محرک و بار، به سه دسته تقسیم می‌کنند.
| نوع اهرم | ترتیب قرارگیری اجزا | مثال ساده |
|---|---|---|
| نوع اول | تکیه‌گاه بین نیرو و جسم قرار دارد. | الاکلنگ، قیچی |
| نوع دوم | جسم بین تکیه‌گاه و نیرو قرار دارد. | فرغون، فندق‌شکن |
| نوع سوم | نیرو بین تکیه‌گاه و جسم قرار دارد. | انبرک، چوب ماهیگیری |
ویژگی‌های منحصر به فرد اهرم نوع دوم
مهم‌ترین مشخصهٔ اهرم نوع دوم، همان‌طور که از نامش پیداست، قرارگیری جسم (بار) بین تکیه‌گاه و نیروی محرک است. این آرایش خاص، دو ویژگی مهم به آن می‌دهد:
۱. مزیت مکانیکی همیشه بزرگ‌تر از یک: این یعنی شما همیشه برای بلند کردن یک جسم سنگین، به نیرویی کمتر از وزن آن جسم نیاز دارید. دلیل این امر، رابطه‌ای است که بین فاصله‌ها برقرار می‌شود. در اهرم نوع دوم، فاصله‌ی نقطه‌ی اعمال نیروی محرک تا تکیه‌گاه (بازوی محرک۵) همیشه از فاصله‌ی جسم تا تکیه‌گاه (بازوی مقاوم۶) بیشتر است.
مزیت مکانیکی از تقسیم بازوی محرک ($E_d$) به بازوی مقاوم ($L_d$) به دست می‌آید: $MA = \frac{E_d}{L_d}$
از آنجایی که در اهرم نوع دوم $E_d$ همیشه از $L_d$ بزرگ‌تر است، نتیجه‌ی کسر همیشه بزرگ‌تر از ۱ خواهد بود.
۲. معاوضه‌ی راه به جای نیرو: اگرچه نیروی کمتری نیاز دارید، اما باید مسافت بیشتری را طی کنید. برای بلند کردن یک فرغون به اندازه‌ی ۱۰ سانتی‌متر، دسته‌های آن را باید چندین ده سانتی‌متر پایین بیاورید. این یک قانون کلی در فیزیک است: «آنچه در نیرو پس‌انداز می‌کنی، باید در مسافت جبران کنی.»
از فرغون تا فندق‌شکن: اهرم نوع دوم در زندگی روزمره
حالا که با ویژگی‌های این اهرم آشنا شدیم، بیایید نگاهی به نمونه‌های عینی آن در اطرافمان بیندازیم. در هر یک از این مثال‌ها، سه جزء اصلی را شناسایی کنید.
| وسیله | تکیه‌گاه | جسم (بار) | نیروی محرک |
|---|---|---|---|
| فرغون | چرخ | مصالح داخل محفظه | دسته‌ها (جایی که دست می‌گیرید) |
| فندق‌شکن | مفصل اتصال دو دسته | فندق (قرارگرفته نزدیک مفصل) | انتهای دسته‌ها (جایی که فشار می‌آورید) |
| درب بطری بازکن | لبه‌ای که روی درب بطری قلاب می‌شود | درب بطری | انتهای دسته (جایی که بالا می‌کشید) |
| دیلم | نقطه‌ی اتکا روی زمین یا یک جسم ثابت | جسمی که می‌خواهید بلند کنید (نزدیک تکیه‌گاه) | انتهای دیگر دیلم (جایی که فشار وارد می‌کنید) |
تصور کنید می‌خواهید با یک فرغون، یک کیسه‌ی سنگین سیمان را جابه‌جا کنید. چرخ فرغون به عنوان تکیه‌گاه عمل می‌کند. کیسه‌ی سیمان (جسم) داخل محفظه و نزدیک به چرخ قرار می‌گیرد. وقتی شما دسته‌های فرغون را بالا می‌کشید (اعمال نیرو)، به دلیل اینکه فاصله‌ی دست شما تا چرخ، بسیار بیشتر از فاصله‌ی کیسه‌ی سیمان تا چرخ است، نیروی کمتری برای بلند کردن آن نیاز دارید.
محاسبه‌ی مزیت مکانیکی: یک مثال عددی
بیایید با یک مثال عددی ساده، فرمول مزیت مکانیکی را آزمایش کنیم. فرض کنید یک دیلم دارید که تکیه‌گاه آن در فاصله‌ی ۱۰ سانتی‌متری از سنگی که می‌خواهید بلند کنید (جسم) قرار دارد. نقطه‌ی اعمال نیروی شما در انتهای دیگر دیلم، ۱ متر (۱۰۰ سانتی‌متر) از تکیه‌گاه فاصله دارد.
- بازوی مقاوم ($L_d$) = ۱۰ cm
- بازوی محرک ($E_d$) = ۱۰۰ cm
مزیت مکانیکی این دیلم می‌شود:
$MA = \frac{100}{10} = 10$
این عدد ۱۰ به چه معناست؟ یعنی اگر وزن سنگ ۵۰۰ نیوتن۷ باشد، شما فقط به نیرویی معادل $\frac{500}{10} = 50$ نیوتن برای بلند کردن آن نیاز دارید! اما به یاد داشته باشید که برای بلند کردن سنگ به اندازه‌ی ۱ سانتی‌متر، شما باید دسته‌ی دیلم را ۱۰ سانتی‌متر پایین ببرید.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
اهرم نوع دوم با آرایش منحصر به فرد خود — جسم بین تکیه‌گاه و نیرو — یک ابزار فوق‌العاده برای غلبه بر بارهای سنگین با اعمال کمترین نیرو است. مزیت مکانیکی آن که همیشه از یک بیشتر است، زندگی را برای ما آسان‌تر کرده است. از فرغون و فندق‌شکن گرفته تا درب بازکن و دیلم، همه نشان‌دهنده‌ی هوشمندی بشر در استفاده از قوانین ساده‌ی فیزیک برای انجام کارهای بزرگ هستند. درک این مفهوم، نگاه شما را به وسایل اطرافتان تغییر خواهد داد.
پاورقی
۱ جسم (Load): بار یا مقاومتی که می‌خواهیم بر آن غلبه کنیم.
۲ تکیه‌گاه (Fulcrum): نقطه‌ی ثابتی که میلهٔ اهرم حول آن می‌چرخد.
۳ نیروی محرک (Effort): نیرویی که برای انجام کار به اهرم وارد می‌شود.
۴ دیلم (Pry Bar/Pry Lever): یک میلهٔ فلزی محکم که برای بلند کردن یا جدا کردن اجسام سنگین استفاده می‌شود.
۵ بازوی محرک (Effort Arm): فاصله‌ی نقطه‌ی اعمال نیروی محرک تا تکیه‌گاه.
۶ بازوی مقاوم (Load Arm/Resistance Arm): فاصله‌ی نقطه‌ی اعمال بار (جسم) تا تکیه‌گاه.
۷ نیوتن (Newton): یکای اندازه‌گیری نیرو در سیستم متریک.