اهرم دسته‌بلند: وقتی محور بین تو و سنگینی دنیاست!
اهرم چیست و چگونه کار می‌کند؟
یک اهرم، وسیله‌ای ساده است که می‌تواند کار ما را برای جابجا کردن یا بلند کردن اجسام سنگین بسیار آسان‌تر کند. تصور کنید می‌خواهید سنگی بزرگ را تنها با یک چوب بلند از زمین بلند کنید. این چوب، یک اهرم است! هر اهرم سه بخش اصلی دارد:
| نام جزء | توضیح | مثال در الاکلنگ |
|---|---|---|
| تکیه‌گاه۳ | نقطه‌ای که اهرم حول آن می‌چرخد. | محور وسط الاکلنگ |
| نیروی محرک۵ | نیرویی که ما برای انجام کار وارد می‌کنیم. | فشاری که شما برای پایین بردن صندلی خود وارد می‌کنید. |
| نیروی مقاوم۶ | نیرویی که در مقابل نیروی ما قرار دارد (مانند وزن جسم). | وزن شخصی که در طرف دیگر الاکلنگ نشسته است. |
انواع اهرم و جایگاه ویژه دسته‌بلند
اهرم‌ها بر اساس موقعیت قرارگیری تکیه‌گاه، نیروی محرک و نیروی مقاوم به سه دسته تقسیم می‌شوند. اهرم دسته‌بلند که موضوع اصلی ماست، در دسته اول قرار دارد.
| نوع اهرم | موقعیت تکیه‌گاه | مثال متداول |
|---|---|---|
| اهرم نوع اول (دسته‌بلند)۱ | تکیه‌گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار دارد. | الاکلنگ، قیچی، انبردست |
| اهرم نوع دوم | نیروی مقاوم بین تکیه‌گاه و نیروی محرک قرار دارد. | فرغون، درب بازکن بطری |
| اهرم نوع سوم | نیروی محرک بین تکیه‌گاه و نیروی مقاوم قرار دارد. | انبرک، جاروی دسته‌بلند |
در اهرم نوع اول، اگر فاصله نیروی محرک تا تکیه‌گاه از فاصله نیروی مقاوم تا تکیه‌گاه بیشتر باشد، به آن اهرم دسته‌بلند می‌گوییم. این ویژگی باعث می‌شود شما با اعمال نیروی کم، بتوانید یک جسم سنگین را بلند کنید.
شرط تعادل در یک اهرم زمانی برقرار است که: $F_e \times d_e = F_r \times d_r$
که در آن: Fe اندازه نیروی محرک (بر حسب نیوتن)، de فاصله نیروی محرک تا تکیه‌گاه (بر حسب متر)، Fr اندازه نیروی مقاوم (بر حسب نیوتن) و dr فاصله نیروی مقاوم تا تکیه‌گاه است.
اهرم دسته‌بلند در بدن انسان
شاید جالب باشد بدانید که بدن شما هم از اهرم‌های دسته‌بلند استفاده می‌کند! هنگامی که سر خود را به عقب خم می‌کنید، در واقع یک اهرم نوع اول فعال شده است.
- تکیه‌گاه: مفصل بین جمجمه و اولین مهره گردن (مهره اطلس).
- نیروی مقاوم: وزن سر شما که تقریباً معادل 4.5 کیلوگرم است و در مرکز ثقل سر (پشت بینی) اعمال می‌شود.
- نیروی محرک: نیرویی که عضلات پشت گردن برای بلند کردن و نگه‌داشتن سر وارد می‌کنند.
در این حالت، فاصله عضلات (نیروی محرک) تا تکیه‌گاه بسیار کوتاه‌تر از فاصله مرکز ثقل سر (نیروی مقاوم) تا تکیه‌گاه است. این یعنی عضلات گردن شما باید نیروی بسیار بیشتری نسبت به وزن سرتان وارد کنند تا تعادل برقرار شود. این یک اهرم نوع اول است، اما برخلاف اهرم‌های دسته‌بلند معمولی، اینجا مزیت مکانیکی۷ کمتر از یک است و نیروی بیشتری نیاز داریم.
کاربردهای شگفت‌انگیز در زندگی روزمره
اهرم‌های دسته‌بلند همه جا هستند. وقتی با یک دیلم سنگ بزرگی را حرکت می‌دهید، در حال استفاده از یک اهرم دسته‌بلند هستید. هرچه دیلم بلندتر باشد (یهرم de بزرگتر باشد)، نیروی کمتری برای بلند کردن سنگ نیاز خواهید داشت. ترازوی دوکفه‌ای قدیمی نیز یک اهرم نوع اول است. وقتی شما یک وزنه سبک را در فاصله دورتری از تکیه‌گاه آویزان می‌کنید، می‌تواند با یک وزنه سنگین‌تر که نزدیک‌تر به تکیه‌گاه است، تعادل برقرار کند. انبردست نیز یک اهرم نوع اول مرکب است که علاوه بر افزایش نیرو، امکان گرفتن اجسام را نیز فراهم می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. اصطلاح "دسته‌بلند" معمولاً زمانی به کار می‌رود که بازوی محرک (فاصله نیروی محرک تا تکیه‌گاه) از بازوی مقاوم (فاصله نیروی مقاوم تا تکیه‌گاه) بلندتر باشد. در اهرم نوع اولی مانند سر انسان، این شرایط برقرار نیست.
مزیت مکانیکی (MA) از تقسیم فاصله نیروی محرک به تکیه‌گاه (de) بر فاصله نیروی مقاوم به تکیه‌گاه (dr) به دست می‌آید: $MA = \frac{d_e}{d_r}$. اگر این عدد بیشتر از 1 باشد، یعنی اهرم به ما کمک می‌کند تا با نیروی کم، بار سنگینی را جابجا کنیم.
زیرا در این حالت مزیت مکانیکی کمتر از 1 است. این طراحی به دلیل نیاز به دامنه حرکتی و سرعت بیشتر در چرخش سر است، نه برای افزایش نیرو. طبیعت گاهی به جای قدرت، به چابکی و سرعت نیاز دارد.
پاورقی
۱ اهرم دسته‌بلند (First-Class Lever)
۲ اجزای اصلی اهرم (Lever Components)
۳ تکیه‌گاه (Fulcrum)
۴ شرط تعادل (Condition of Equilibrium)
۵ نیروی محرک (Effort Force)
۶ نیروی مقاوم (Resistance Force)
۷ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA)