گوه؛ ابرقهرگانی کوچک در دنیای ماشینهای ساده
گوه چیست و چگونه کار میکند؟
یک گوه در سادهترین شکل خود، یک شیء مثلثی شکل است که از دو سطح شیبدار۴ تشکیل شده است. این دو سطح در لبهای تیز به هم میرسند. وقتی شما به پشت گوه (ضلع پهنتر) نیرو وارد میکنید، این نیرو به دو طرف منتقل شده و باعث میشود گوه به درون یک ماده نفوذ کند و آن را از هم بشکافد یا دو تکه را از هم جدا کند. تصور کنید میخواهید یک سیب زمینی بزرگ را با چاقو نصف کنید. وقتی چاقو (که یک نوع گوه است) را فشار میدهید، نیروی دست شما باعث میشود لبهی تیز چاقو به راحتی درون سیب زمینی فرو رفته و آن را به دو نیم تقسیم کند.
مزیت مکانیکی (MA۵) یک گوه به نسبت طول آن به ضخامت پشتش بستگی دارد. این رابطه را میتوان با فرمول سادهای نشان داد: $MA = \frac{L}{T}$ که در آن L طول گوه و T ضخامت پهنای پشت آن است. هرچه گوه باریکتر و بلندتر باشد، مزیت مکانیکی بیشتری دارد، یعنی با نیروی کمتری میتواند جسم سختتری را بشکافد.
انواع گوه و کاربردهای شگفتانگیز آنان
گوهها را میتوان به انواع مختلفی تقسیمبندی کرد که هر کدام برای هدف خاصی طراحی شدهاند. در جدول زیر برخی از رایجترین انواع آنان را مشاهده میکنید.
| نوع گوه | توضیح و مثال عینی | کاربرد اصلی |
|---|---|---|
| گوههای برشی | این گوهها لبههای بسیار تیزی دارند. مانند: چاقو، تبر، قیچی (تیغههای قیچی هر کدام یک گوه هستند)، سر مته. | برش، شکافتن و سوراخ کردن مواد. |
| گوههای مهارکننده | برای ثابت نگه داشتن اشیا استفاده میشوند. مانند: گوههای زیر پایهی میزهای لرزان، گوهای که در ساختمانسازی برای تنظیم موقعیت سنگها به کار میرود. | جلوگیری از حرکت و ایجاد تعادل. |
| گوههای جداکننده | برای ایجاد فاصله و بلند کردن اجسام سنگین به کار میروند. مانند: گوههای زیر لاستیک خودرو برای جلوگیری از حرکت، اهرمهای جداکننده. | بلند کردن بارهای سنگین و ایجاد فاصله. |
| گوههای متحرک | این گوهها بخشی از یک سیستم بزرگتر هستند که حرکت میکنند. مانند: سوزن، میخ، دندانههای چنگال. | نفوذ و نگهداری موقت. |
گوه در عمل: از آشپزخانه تا محل ساختوساز
بیایید نگاهی دقیقتر به نحوهی عملکرد گوه در چند مثال عملی بیندازیم. وقتی با یک تبر یک کندهی چوب را میشکافید، نیروی ناشی از ضربهی شما به پشت تبر (گوه) وارد میشود. این نیرو به دو طرف تبر منتقل شده و یک نیروی افقی بسیار قوی ایجاد میکند که الیاف چوب را از هم جدا میکند. هرچه لبهی تبر تیزتر باشد (یعنی ضخامت پشت گوه کمتر باشد)، برای شکافتن چوب به نیروی کمتری نیاز دارید زیرا مزیت مکانیکی افزایش یافته است.
مثال دیگر، سوزن است. سوزن یک گوهی بسیار باریک و بلند است. نوک تیز آن به راحتی میان تار و پود پارچه نفوذ میکند. اگر نوک سوزن کُند شود، دیگر به راحتی پارچه را سوراخ نمیکند زیرا دیگر شکل گوهی کارآمدی ندارد. حتی دندانهای جلویی شما (پیشدندانها) نقش گوه را ایفا میکنند و برای برش دادن و گاز زدن غذا طراحی شدهاند.
گوه و دیگر ماشینهای ساده: یک ارتباط اساسی
گوه ارتباط نزدیکی با یک ماشین سادهی دیگر به نام سطح شیبدار۶ دارد. در واقع، یک گوه را میتوان دو سطح شیبدار متصل به هم دانست که برای حرکت درون یک ماده به جای حرکت روی آن طراحی شدهاند. سطح شیبدار (مثل یک رمپ) برای بلند کردن بار با اعمال نیرو در مسافتی طولانیتر استفاده میشود، در حالی که گوه برای تقسیم یا جدا کردن با تمرکز نیرو در یک نقطهی کوچک به کار میرود. بسیاری از ابزارهای پیچیده، ترکیبی از چند ماشین ساده هستند. برای مثال، یک قیچی ترکیبی از دو گوه (تیغهها) و یک اهرم۷ (دستهها) است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. شرط اصلی برای گوه بودن، داشتن دو سطح شیبدار است که در یک لبه به هم میرسند. یک سوزن تیز اگر مقطع دایرهای داشته باشد، یک گوه کلاسیک نیست، اما اصل کار آن بر پایهی نفوذ (شبیه به گوه) است. اما یک چاقو که لبهای مثلثی شکل دارد، یک گوهی کامل است.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. همانطور که در جدول بالا دیدید، گوه کاربردهای بسیار متنوعی دارد از جمله مهار کردن (ثابت نگه داشتن)، جدا کردن و بلند کردن. گوهای که زیر چرخ خودرو برای جلوگیری از حرکت قرار میدهید، هیچ برشی انجام نمیدهد بلکه با ایجاد اصطکاک، حرکت را مهار میکند.
پاسخ: بله، بر اساس فرمول $MA = \frac{L}{T}$، چون طول گوه (L) همیشه از ضخامت آن (T) بیشتر است، مزیت مکانیکی آن همیشه عددی بزرگتر از ۱ خواهد بود. این یعنی گوه همیشه نیروی ورودی شما را افزایش میدهد.
پاورقی
۱ گوه (Wedge)
۲ ماشین ساده (Simple Machine): دستگاههای مکانیکی پایه که قانون بقای انرژی را رعایت کرده و کار را آسانتر میکنند.
۳ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage): نسبت نیروی خروجی به نیروی ورودی یک ماشین.
۴ سطح شیبدار (Inclined Plane)
۵ MA: مخفف Mechanical Advantage.
۶ سطح شیبدار (Inclined Plane)
۷ اهرم (Lever)
