چرخ و محور: موتوری برای حرکت جهان
چرخ و محور چیست؟ از تعریف تا اجزا
چرخ و محور یک ماشین ساده است که از دو جزء اصلی تشکیل شده است: یک چرخ بزرگ که به یک محور یا میلهٔ باریکتر در مرکز آن متصل شده است. وقتی نیرو به چرخ اعمال میشود، محور نیز میچرخد و نیرو را انتقال میدهد. نکتهٔ کلیدی این است که چرخ و محور هر دو با هم میچرخند و یک جسم واحد را تشکیل میدهند. این سیستم برای غلبه بر اصطکاک۲ و جابجایی آسان بارها طراحی شده است.
یک مثال ساده، فرغون است. چرخ فرغون بزرگ است و دستههای آن نقش اهرمی را بازی میکنند که نیروی شما را به چرخ منتقل میکنند. وقتی شما دستهها را بالا میبرید، در واقع بار سنگین روی فرغون را با کمک چرخ، به راحتی جابجا میکنید. بدون چرخ، شما مجبور بودید بار را روی زمین بکشید که با اصطکاک بسیار بیشتری روبرو میشد.
گشتاور: نیروی چرخاننده
مفهوم فیزیکی مهم در کار با چرخ و محور، گشتاور۴ است. گشتاور معیاری برای اندازهگیری این است که یک نیرو چقدر میتواند باعث چرخش یک جسم حول یک محور شود. هرچه نیروی شما بزرگتر باشد یا فاصلهای که نیرو از مرکز چرخش اعمال میکنید بیشتر باشد، گشتاور بیشتری ایجاد میشود. این دقیقاً دلیلی است که چرا دستهی در (که خود یک چرخ و محور است) را از لبهی دور آن میگیریم؛ زیرا با این کار گشتاور بیشتری وارد کرده و باز کردن در راحتتر میشود.
فرمول گشتاور به این صورت است: $\tau = F \times r$ که در آن $F$ نیرو و $r$ فاصله از مرکز چرخش (شعاع) است.
کاربردهای چرخ و محور در زندگی روزمره
این ماشین ساده آنقدر در اطراف ما وجود دارد که شاید متوجه آن نباشیم. در جدول زیر برخی از رایجترین کاربردها آورده شده است:
| وسیله/ابزار | نقش چرخ | نقش محور | مزیت اصلی |
|---|---|---|---|
| فرغون | کاهش اصطکاک و حمل بار | اتصال چرخ به بدنه و انتقال نیرو | جابجایی بارهای سنگین با نیروی کم |
| فرمان خودرو | قسمتی که راننده میچرخاند (چرخ دنده بزرگ) | میلهای که به چرخها متصل است (چرخ دنده کوچک) | کنترل آسان جهت چرخهای خودرو با نیروی کم دست |
| چرخ چاه (دولاب) | قسمت بزرگ و گرد که طناب دور آن پیچیده میشود | مرکز چرخ که روی پایهها میچرخد | بلند کردن سطل پر از آب از چاههای عمیق به راحتی |
| پیچ گوشتی | دستهٔ ضخیم پیچ گوشتی | میلهٔ نازک و سری پیچ گوشتی | متمرکز کردن نیروی دست برای چرخاندن پیچ |
چرخ و محور در وسایل نقلیه: از دوچرخه تا کامیون
وسایل نقلیه نمونهای کامل از ترکیب چندین چرخ و محور برای ایجاد حرکت هستند. در یک دوچرخه، سیستم پدال و زنجیر را در نظر بگیرید. پدالها به یک چرخدندهٔ بزرگ (طبقدان) متصل هستند. وقتی شما پدال میزنید، این چرخدندهٔ بزرگ میچرخد و از طریق زنجیر، یک چرخدندهٔ کوچکتر روی چرخ عقب را به حرکت درمیآورد. این سیستم یک مزیت مکانیکی ایجاد میکند: هر بار که پدال را کامل میچرخانید، چرخ عقب چندین بار میچرخد و این باعث میشود دوچرخه با سرعت بیشتری حرکت کند.
در خودروهای مدرن، سیستم پیچیدهتری وجود دارد. جعبه دنده (گیربکس) در واقع مجموعهای از چرخ و محورها (چرخدندهها) با اندازههای مختلف است. راننده با تعویض دنده، اندازهٔ چرخی را که نیروی موتور به آن وارد میشود تغییر میدهد. در دندهیک، یک چرخدندهٔ بزرگ توسط موتور میچرخد و یک چرخدندهٔ کوچک روی محور چرخها را حرکت میدهد. این نسبت، گشتاور زیادی برای شروع حرکت و بالا رفتن از سربالایی ایجاد میکند. در دندههای بالاتر، این نسبت برعکس میشود تا سرعت خودرو افزایش یابد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. برای اینکه یک سیستم، چرخ و محور محسوب شود، چرخ و محور باید به هم متصل باشند و با هم بچرخند. در ماشین اسباببازی، چرخ به طور مستقل حول محور خود میچرخد. اما در فرغون، چرخ و محور با هم میچرخند و یک واحد را تشکیل میدهند. این اتصال است که امکان انتقال نیرو و ایجاد مزیت مکانیکی را فراهم میکند.
پاسخ: هر دو ماشینهای سادهای برای بلند کردن یا جابجایی بار هستند. اما در قرقره، یک طناب یا کابل روی یک چرخشیاردار حرکت میکند و محور ثابت است. در چرخ و محور، خود چرخ و محور با هم میچرخند. قرقره بیشتر برای تغییر جهت نیرو استفاده میشود، در حالی که چرخ و محور برای افزایش گشتاور یا سرعت طراحی شده است.
پاسخ: نه لزوماً. این سیستم بین نیرو و مسافت، مبادله میکند. وقتی شما با یک فرمان بزرگ، نیروی کمی برای چرخاندن چرخهای خودرو استفاده میکنید (صرفهجویی در نیرو)، باید دست خود را در یک دایرهٔ بزرگ حرکت دهید (افزایش مسافت). برعکس، در دوچرخه وقتی دنده را روی سرعت بالا میگذارید، برای پدال زدن نیروی بیشتری نیاز دارید اما با هر بار چرخش پدال، مسافت بیشتری را طی میکنید (صرفهجویی در مسافت).
پاورقی
۱چرخ و محور (Wheel and Axle): یک ماشین ساده متشکل از یک چرخ که به یک میله (محور) در مرکز خود متصل شده و با آن میچرخد.
۲اصطکاک (Friction): نیروی مقاومتی که در مقابل حرکت نسبی دو سطح در تماس با یکدیگر عمل میکند.
۳مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage): نسبت خروجی نیرو به ورودی نیرو در یک ماشین که نشان میدهد ماشین نیروی وارد شده را چند برابر میکند.
۴گشتاور (Torque): تمایل یک نیرو برای چرخاندن یک جسم حول یک محور. این نیرو به صورت حاصلضرب نیرو در فاصله از نقطه محوری محاسبه میشود.
۵قرقره (Pulley): یک ماشین ساده متشکل از یک چرخ شیاردار که یک طناب یا کابل در آن حرکت میکند و برای بلند کردن بارها یا تغییر جهت نیرو استفاده میشود.
