اهرم دسته‌کوتاه: وقتی قدرت در میانه قرار می‌گیرد
اهرم چیست و چگونه کار می‌کند؟
اهرم یکی از ساده‌ترین و در عین حال شگفت‌انگیزترین ماشین‌های ساده۵ است که بشر از دیرباز از آن استفاده می‌کرده است. یک اهرم ساده معمولاً از یک میله‌ی سفت و سخت تشکیل شده که حول یک نقطه‌ی ثابت به نام تکیه‌گاه می‌چرخد. دو نیروی اصلی روی این میله اثر می‌کنند:
- نیروی محرک (Effort): نیرویی است که ما برای انجام کار به اهرم وارد می‌کنیم. مثلاً وقتی دسته‌ی یک فرغون را فشار می‌دهیم.
- نیروی مقاومت (Load): نیرویی است که اهرم باید بر آن غلبه کند. مثلاً وزن خاک داخل فرغون.
نحوه‌ی قرارگیری این دو نیرو و تکیه‌گاه نسبت به هم، تعیین‌کننده‌ی نوع اهرم است. در مجموع سه نوع اهرم داریم: درجه یک، درجه دو و درجه سه.
شناسایی اهرم دسته‌کوتاه (درجه دو)
مشخصه‌ی اصلی اهرم‌های دسته‌کوتاه این است که نیروی مقاومت همیشه بین تکیه‌گاه و نیروی محرک قرار می‌گیرد. به عبارت دیگر، وقتی به اهرم نگاه می‌کنیم، اول به تکیه‌گاه می‌رسیم، سپس به نیروی مقاومت و در انتها به نیروی محرک. این چینش باعث می‌شود بازوی محرک (فاصله‌ی نیروی محرک تا تکیه‌گاه) همیشه از بازوی مقاومت (فاصله‌ی نیروی مقاومت تا تکیه‌گاه) بلندتر باشد.
| نوع اهرم | موقعیت تکیه‌گاه | مزیت مکانیکی | مثال متداول |
|---|---|---|---|
| اهرم درجه یک | بین نیروی محرک و مقاومت | می‌تواند بزرگ‌تر، مساوی یا کوچک‌تر از 1 باشد | الاکلنگ، دیلم |
| اهرم درجه دو (دسته‌کوتاه) | مقاومت بین تکیه‌گاه و نیروی محرک | همیشه بزرگ‌تر از 1 است | فرغون، درب بازکن بطری |
| اهرم درجه سه | نیروی محرک بین تکیه‌گاه و مقاومت | همیشه کوچک‌تر از 1 است | جاروی فراشی، انبرک |
مزیت مکانیکی در اهرم دسته‌کوتاه
مزیت مکانیکی۶ به ما می‌گوید یک ماشین ساده مانند اهرم، چند برابر نیروی ما را افزایش می‌دهد. برای اهرم‌ها، مزیت مکانیکی ایده‌آل از تقسیم طول بازوی محرک بر طول بازوی مقاومت به دست می‌آید:
از آنجا که در اهرم دسته‌کوتاه، بازوی محرک همیشه از بازوی مقاومت بلندتر است، مزیت مکانیکی آن همیشه بزرگ‌تر از 1 خواهد بود. این یعنی ما همیشه می‌توانیم با اعمال نیرویی کمتر از نیروی مقاومت، بر آن غلبه کنیم. برای مثال، اگر مزیت مکانیکی یک فرغون 3 باشد، یعنی شما فقط با یک‌سوم نیروی لازم برای بلند کردن مستقیم بار، می‌توانید آن را جابه‌جا کنید.
اهرم‌های دسته‌کوتاه در بدن انسان
بدن انسان یک مجموعه‌ی شگفت‌انگیز از اهرم‌هاست. بسیاری از حرکات ما توسط اهرم‌های استخوانی-عضلانی انجام می‌شود. یک مثال کلاسیک و ساده برای اهرم دسته‌کوتاه در بدن، حرکت ایستادن روی پنجه‌ی پا است.
- تکیه‌گاه: مفصل یا برآمدگی استخوان کف پا (مفصل متاتارسوفالانژیال).
- نیروی مقاومت: وزن تمام بدن شما که مرکز ثقل آن تقریباً در وسط بدن قرار دارد و از طریق استخوان ساق پا به پاشنه‌ی پا وارد می‌شود.
- نیروی محرک: نیرویی است که عضله‌ی ساق پا (از طریق تاندون آشیل) به پاشنه‌ی پا وارد می‌کند تا پاشنه را از زمین بلند کند.
همانطور که می‌بینید، نیروی مقاومت (وزن بدن روی پاشنه) بین تکیه‌گاه (برآمدگی کف پا) و نیروی محرک (عضله‌ی ساق پا) قرار گرفته است. این یک اهرم دسته‌کوتاه کامل است. این مکانیسم به عضلات ساق پا اجازه می‌دهد با نیرویی کمتر از وزن کل بدن، شما را روی پنجه‌هایتان بلند کنند.
کاربردهای اهرم دسته‌کوتاه در زندگی روزمره
این اهرم‌ها آنقدر در اطراف ما هستند که شاید متوجه آن‌ها نباشیم. در اینجا به چند نمونه‌ی پرکاربرد اشاره می‌کنیم:
| وسیله/موقعیت | تکیه‌گاه | نیروی مقاومت | نیروی محرک |
|---|---|---|---|
| فرغون | چرخ | وزن بار داخل آن | دستی که دسته‌ها را بلند می‌کند |
| در بازکن بطری | لبه‌ی درب بطری | مقاومت درب برای باز شدن | دستی که دسته‌ی درب‌بازکن را فشار می‌دهد |
| فندق‌شکن | مفصل اتصال دو دسته | فندق که بین فک‌ها قرار دارد | دست‌هایی که دسته‌ها را به هم فشار می‌دهند |
| درب‌های لولایی (بازشو) | لولای درب | وزن خود درب | دستی که لبه‌ی دورتر از لولا را فشار می‌دهد |
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: بله، این نام می‌تواند کمی گمراه‌کننده باشد. "دسته‌کوتاه" به طول کلی اهرم اشاره ندارد، بلکه به موقعیت نسبی نیروها اشاره دارد. در این اهرم، فاصله‌ی نیروی مقاومت تا تکیه‌گاه (بازوی مقاومت) نسبت به فاصله‌ی نیروی محرک تا تکیه‌گاه (بازوی محرک) کوتاه‌تر است. در واقع، این "بازوی مقاومت" است که کوتاه است، نه لزوماً کل اهرم. یک فرغون را در نظر بگیرید: دسته‌های آن بلند هستند، اما بار (مقاومت) نزدیک به چرخ (تکیه‌گاه) قرار دارد، بنابراین بازوی مقاومت کوتاه است.
پاسخ: در حالی که این اهرم در افزایش نیرو عالی است، اما در افزایش سرعت و مسافت حرکت، ضعف دارد. برای جابه‌جایی بار به مقدار مشخص، شما باید دسته‌ی اهرم را در مسافتی بسیار بیشتر از مسافتی که بار جابه‌جا می‌شود، حرکت دهید. در مثال ایستادن روی پنجه، برای بلند کردن پاشنه به اندازه‌ی چند سانتی‌متر، عضله‌ی ساق پا باید منقبض شود و تاندون آشیل را به مقدار بیشتری بکشد. این یک معامله است: نیروی بیشتر در ازای جابه‌جایی کمتر بار.
پاسخ: یک راه‌حل ساده این است: نقطه‌ای را که ثابت به نظر میرسد (تکیه‌گاه) پیدا کنید. سپس به دنبال جایی باشید که بار (مقاومت) قرار دارد. اگر بار بین تکیه‌گاه و نقطه‌ای که شما نیرو وارد می‌کنید (نیروی محرک) قرار گرفته باشد، شما با یک اهرم دسته‌کوتاه روبرو هستید. همیشه به یاد داشته باشید: ترتیب قرارگیری "تکیه‌گاه - مقاومت - محرک" مشخصه‌ی این اهرم است.
پاورقی
۱ اهرم دسته‌کوتاه (Second-Class Lever)
۲ مقاومت (Load)
۳ تکیه‌گاه (Fulcrum)
۴ نیروی محرک (Effort)
۵ ماشین‌های ساده (Simple Machines)
۶ مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage)