ماشین‌های ساده: اهرم‌های قدرتمند در دنیای ما
ماشین ساده چیست و چگونه کار می‌کند؟
در ساده‌ترین تعریف، یک ماشین ساده وسیله‌ای است که هیچ قسمت متحرکی ندارد و کار را با تغییر نیرو۲ انجام می‌دهد. اما این تغییر نیرو به چه معناست؟ تصور کنید می‌خواهید یک سنگ بسیار سنگین را بلند کنید. اگر نیروی کافی نداشته باشید، نمی‌توانید این کار را انجام دهید. اما اگر از یک میله‌ی بلند (یک اهرم) استفاده کنید، با اعمال نیروی کمتر در مسافتی طولانی‌تر، می‌توانید سنگ را بلند کنید. این همان اصل اساسی ماشین‌های ساده است: آسانی کار۳.
ماشین‌های ساده معمولاً با دو مفهوم فیزیکی سر و کار دارند: نیروی محرک۴ (نیرویی که شما وارد می‌کنید) و نیروی مقاوم۵ (نیرویی که باید بر آن غلبه کنید، مثل وزن یک جسم). مزیت مکانیکی۶ عددی است که نشان می‌دهد یک ماشین ساده چند برابر نیروی شما را افزایش می‌دهد. برای مثال، اگر مزیت مکانیکی یک سطح شیبدار 2 باشد، یعنی شما فقط نصف نیروی لازم برای بلند کردن مستقیم جسم را استفاده می‌کنید.
برای بسیاری از ماشین‌های ساده، مزیت مکانیکی ایده‌آل از نسبت مسافتی که نیروی محرک طی می‌کند به مسافتی که نیروی مقاوم جابه‌جا می‌شود، به دست می‌آید: $MA = \frac{F_r}{F_e} = \frac{d_e}{d_r}$ که در آن MA مزیت مکانیکی، F_r نیروی مقاوم، F_e نیروی محرک، d_e مسافت حرکت نیروی محرک و d_r مسافت حرکت نیروی مقاوم است.
انواع اصلی ماشین‌های ساده و عملکرد آن‌ها
به طور کلی، شش نوع ماشین ساده‌ی اصلی شناخته شده‌اند که سایر ماشین‌های پیچیده از ترکیب آن‌ها ساخته می‌شوند.
| نام ماشین | تعریف و اصل کار | مثال‌های متداول |
|---|---|---|
| اهرم۷ | یک میله‌ی سفت و سخت است که حول نقطه‌ای ثابت به نام تکیه‌گاه۸ می‌چرخد. با اعمال نیرو در یک نقطه (نیروی محرک)، نیرویی بزرگ‌تر در نقطه‌ی دیگر (نیروی مقاوم) ایجاد می‌شود. | الاکلنگ، دیلم، انبر، سطل زباله‌ی پدالی |
| سطح شیبدار۹ | یک صفحه‌ی صاف است که یک سر آن بالاتر از سر دیگر قرار دارد. برای بلند کردن اجسام، استفاده از آن راحت‌تر از بلند کردن مستقیم است، اما مسافت بیشتری باید طی شود. | رمپ ورودی ساختمان‌ها، جاده‌ی کوهستانی، تخته‌ی لغزش |
| قرقره۱۰ | چرخی است با یک شیار که طناب یا کابل در آن قرار می‌گیرد. می‌تواند جهت نیرو را تغییر دهد یا با ترکیب چند قرقره (قرقره‌ی مرکب)، نیرو را چند برابر کند. | قرقره‌ی پرچم، سیستم طناب‌کشی آسانسورهای قدیمی، جرثقیل‌های ساختمانی |
| چرخ و محور۱۱ | از یک چرخ که به یک میله (محور) متصل شده تشکیل شده است. وقتی نیرو به چرخ وارد شود، محور با نیروی بیشتری می‌چرخد و برعکس. | فرمان ماشین، پیچ گوشتی، دسته‌ی در، چرخ چاه |
| گوه۱۲ | در واقع دو سطح شیبدار متصل به هم است. با حرکت دادن گوه، نیرو به کناره‌ها منتقل شده و برای شکافتن یا برش دادن استفاده می‌شود. | تیشه، تبر، نوک میخ، چاقو |
| پیچ۱۳ | یک سطح شیبدار است که به دور یک استوانه پیچیده شده است. با چرخاندن پیچ، نیروی کوچک چرخشی به نیروی بزرگ خطی در جهت پیشروی پیچ تبدیل می‌شود. | پیچ و مهره، گیره‌ی رومیزی، پیچ گوشتی، پرس پیچی (جک) |
ماشین‌های ساده در خدمت انسان: از خانه تا صنعت
حالا که با انواع ماشین‌های ساده آشنا شدیم، بیایید نگاهی به اطراف خود بیندازیم. آن‌ها همه‌جا هستند! وقتی با یک چاقو نان را می‌برید، در حال استفاده از یک گوه هستید. وقتی با فرمان ماشین، جهت آن را تغییر می‌دهید، از یک چرخ و محور استفاده می‌کنید. حتی بدن شما نیز از ماشین‌های ساده بهره می‌برد: استخوان‌های ساعد شما مانند یک اهرم عمل می‌کنند تا بتوانید اجسام را با دست بلند کنید.
در صنعت، ترکیب این ماشین‌های ساده، ماشین‌های پیچیده‌ای مانند جرثقیل‌ها، پل‌های متحرک و خطوط تولید را می‌سازد. یک جرثقیل بزرگ از ترکیب اهرم (بازوی جرثقیل)، قرقره‌های مرکب (سیستم کابل‌کشی) و چرخ و محور (موتور و سیستم حرکتی) استفاده می‌کند تا وزنه‌های بسیار سنگین را جابه‌جا کند. در پزشکی، ابزارهای جراحی مانند پنس نمونه‌ی کوچک‌شده‌ی اهرم‌ها هستند که به جراح دقت فوق‌العاده‌ای می‌دهند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. ماشین‌های ساده کار را آسان‌تر می‌کنند، اما مقدار کل کار فیزیکی (نیرو × جابه‌جایی) که انجام می‌شود، ثابت می‌ماند یا حتی به دلیل اصطکاک کمی بیشتر می‌شود. آن‌ها فقط راهی برای «معامله» ارائه می‌دهند: شما نیروی کمتری اعمال می‌کنید، اما مجبورید آن نیرو را در مسافت بیشتری اعمال کنید (مانند سطح شیبدار). یا جهت نیرو را به بهای اعمال نیروی بیشتر تغییر می‌دهید (مانند یک قرقره‌ی ثابت).
پاسخ: این یک پرسش خوب است. از نظر فنی، پیچ و گوه گونه‌هایی از سطح شیبدار هستند. اما چون عملکرد متمایز و بسیار مفیدی دارند (پیچ برای اتصال و گوه برای شکافتن)، به عنوان ماشین‌های ساده‌ی مستقل در نظر گرفته می‌شوند. گوه یک سطح شیبدار متحرک است و پیچ یک سطح شیبدار مارپیچ حول یک محور.
پاسخ: خیر. چرخ به تنهایی یک ماشین ساده محسوب نمی‌شود. ماشین ساده‌ی مرتبط، چرخ و محور است. چرخ زمانی مفید است که به یک محور متصل باشد و با هم کار کنند تا مزیت مکانیکی ایجاد کنند. چرخ تنها به کاهش اصطکاک کمک می‌کند که خود مفهوم متفاوتی است.
پاورقی
۱ ماشین‌های ساده (Simple Machines)
۲ نیرو (Force)
۳ آسانی کار (Work Easier)
۴ نیروی محرک (Effort Force)
۵ نیروی مقاوم (Resistance Force)
۶ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA)
۷ اهرم (Lever)
۸ تکیه‌گاه (Fulcrum)
۹ سطح شیبدار (Inclined Plane)
۱۰ قرقره (Pulley)
۱۱ چرخ و محور (Wheel and Axle)
۱۲ گوه (Wedge)
۱۳ پیچ (Screw)