اهرم نوع سوم: نیرو بین تکیه‌گاه و جسم
اهرم چیست و انواع آن کدامند؟
یک اهرم، ساده‌ترین و احتمالاً قدیمی‌ترین ماشینی است که بشر از آن استفاده کرده است. اهرم اساساً یک میلهٔ صلب است که حول یک نقطهٔ ثابت به نام تکیه‌گاه۱ می‌چرخد. با اعمال نیرو به یک نقطه از این میله (نیروی محرک یا تلاش)، می‌توان بر جسمی در نقطه‌ای دیگر (بار یا مقاومت) غلبه کرد. اهرم‌ها بر اساس موقعیت نسبی تکیه‌گاه، نیروی محرک و بار به سه دسته تقسیم می‌شوند:
| نوع اهرم | موقعیت اجزا (به ترتیب از چپ به راست) | مثال ساده |
|---|---|---|
| نوع اول مانند الاکلنگ | نیروی محرک — تکیه‌گاه — بار | الاکلنگ، دیلم، قیچی |
| نوع دوم مانند فرغون | تکیه‌گاه — بار — نیروی محرک | فرغون، درب بازکن بطری، فندق‌شکن |
| نوع سوم مانند انبرک | بار — نیروی محرک — تکیه‌گاه | انبرک، چوب ماهیگیری، دست انسان |
همانطور که در جدول مشخص است، ویژگی منحصربه‌فرد اهرم نوع سوم این است که نیروی محرک بین تکیه‌گاه و بار اعمال می‌شود. این آرایش خاص، خواص و کاربردهای ویژه‌ای برای این اهرم به ارمغان می‌آورد.
ویژگی‌های کلیدی اهرم نوع سوم: مزیت مکانیکی کمتر از یک
مهم‌ترین مفهومی که باید دربارهٔ اهرم نوع سوم بدانید، مزیت مکانیکی۲ آن است. مزیت مکانیکی نسبت نیروی خروجی (نیرویی که بر بار وارد می‌شود) به نیروی ورودی (نیرویی که شما وارد می‌کنید) را نشان می‌دهد. برای محاسبهٔ آن از فاصله‌ها نسبت به تکیه‌گاه استفاده می‌کنیم.
که در آن:
• $ MA $: مزیت مکانیکی
• $ F_{out} $: نیروی خروجی (بر بار)
• $ F_{in} $: نیروی ورودی (تلاش شما)
• $ d_{in} $: فاصله‌ی نقطه‌ی اعمال نیروی ورودی تا تکیه‌گاه
• $ d_{out} $: فاصله‌ی نقطه‌ی اعمال نیروی خروجی (بار) تا تکیه‌گاه
در اهرم نوع سوم، چون نیروی محرک ($ F_{in} $) بین تکیه‌گاه و بار ($ F_{out} $) قرار دارد، فاصله‌ی نیروی محرک تا تکیه‌گاه ($ d_{in} $) همیشه از فاصله‌ی بار تا تکیه‌گاه ($ d_{out} $) کمتر است. بنابراین، طبق فرمول بالا، مزیت مکانیکی ($ MA $) همیشه کمتر از 1 خواهد بود.
این یعنی چه؟ یعنی نیرویی که شما برای بلند کردن یا جابه‌جا کردن یک بار وارد می‌کنید، باید بیشتر از وزن خود آن بار باشد! به نظر میرسد این یک اشکال بزرگ باشد، اما پس چرا از چنین اهرمی استفاده می‌کنیم؟ پاسخ در مزیت دیگر آن نهفته است: افزایش مسافت و سرعت. اهرم نوع سوم باعث می‌شود بار مسافت بیشتری را با سرعت بیشتری نسبت به نقطه‌ای که نیرو وارد می‌کنید، طی کند. این ویژگی در بسیاری از ابزارها و به‌ویژه در بدن موجودات زنده حیاتی است.
اهرم نوع سوم در بدن انسان: یک مهندسی شگفت‌انگیز
بدن شما پر از اهرم‌های نوع سوم است. این طراحی به ماهیچه‌های ما اجازه می‌دهد حرکات سریع و وسیعی را با وجود اتصال نزدیک‌شان به استخوان‌ها (تکیه‌گاه) انجام دهند. در اینجا، استخوان نقش میلهٔ اهرم، مفصل نقش تکیه‌گاه، ماهیچه نیروی محرک را وارد می‌کند و جسمی که جابه‌جا می‌شود (مانند دست خودتان یا یک توپ) بار است.
| بخش بدن | تکیه‌گاه (مفصل) | نیروی محرک (ماهیچه) | بار |
|---|---|---|---|
| ساعد دست | آرنج | ماهیچهٔ دوسر بازو (در قسمت بالای ساعد) | کف دست یا جسمی که در دست گرفته‌اید |
| ساق پا | زانو | ماهیچهٔ چهارسر ران (در قسمت بالای ساق) | کف پا یا زمین |
| فک | مفصل گیجگاهی-فکی (پشت فک) | ماهیچه‌های گازانبری (بین مفصل و دندان‌ها) | غذایی که بین دندان‌هاست |
برای مثال، وقتی یک کتاب برمی‌دارید، ماهیچهٔ دوسر بازوی شما به استخوان ساعد، نزدیک به مفصل آرنج (تکیه‌گاه) نیرو وارد می‌کند. این نیرو باعث می‌شود دست و کتاب شما (بار) که در فاصلهٔ دورتری از تکیه‌گاه قرار دارند، با دامنهٔ حرکتی زیاد و سرعت قابل‌توجهی بالا بیایند. اگر این اهرم از نوع اول بود و مزیت مکانیکی بیشتری داشت، ما قادر به انجام حرکات سریع مانند پرتاب کردن نبودیم.
ابزارهای روزمره: از انبرک تا چوب ماهیگیری
مهندسان از ویژگی‌های اهرم نوع سوم در طراحی ابزارهای زیادی استفاده کرده‌اند. این ابزارها معمولاً برای دقت بالا، کنترل بهتر و افزایش سرعت در یک مسافت کوتاه طراحی شده‌اند. در ادامه به چند نمونهٔ مشهور اشاره می‌کنیم:
انبرک (انبر ساده): وقتی از انبرک برای برداشتن یک خرده‌ریز استفاده می‌کنید، دسته‌های انبر تکیه‌گاه هستند. نوک انبر که بار (خرده‌ریز) را نگه می‌دارد، در یک طرف قرار دارد و نیروی محرک (فشار انگشتان شما) بین این دو اعمال می‌شود. این طراحی به شما کنترل بسیار بالایی روی جسم کوچک می‌دهد.
چوب ماهیگیری: این یک اهرم نوع سوم بزرگ‌مقیاس است. تکیه‌گاه در انتهای دسته، نزدیک به بدن شماست. بار، نیروی ماهی در انتهای دیگر نخ است و نیروی محرک، فشاری است که شما در نقطه‌ای بین این دو به چوب وارد می‌کنید. این اهرم به شما امکان می‌دهد با یک حرکت نسبتاً کوتاه دست، ماهی را با سرعت و در مسافتی طولانی از آب بیرون بکشید.
برف‌پاک کن ماشین: موتور برف‌پاک کن نزدیک به تکیه‌گاه (محل اتصال به بدنه) نیرو وارد می‌کند. تیغهٔ برف‌پاک کن که بار (برف و باران) را جابه‌جا می‌کند، در انتهای دیگر قرار دارد. این مکانیزم باعث می‌شود تیغه بتواند یک ناحیهٔ وسیع از شیشه را با سرعت مناسب پاک کند.
سایر مثال‌ها شامل دستگاه پانچ کاغذ، منگنه، و حتی بیل (وقتی از آن برای پرتاب کردن چیزی استفاده می‌کنید) می‌شوند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ تکیه‌گاه (Fulcrum): نقطه‌ای ثابت که میلهٔ اهرم حول آن می‌چرخد.
۲ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA): نسبت نیروی خروجی به نیروی ورودی در یک ماشین ساده.
۳ نیروی محرک/تلاش (Effort Force): نیرویی که توسط کاربر به اهرم وارد می‌شود.
۴ بار/مقاومت (Load/Resistance): نیرویی که اهرم باید بر آن غلبه کند.