ماشین: دوستِ قدرتمند بشر برای آسانتر کردن کارها
ماشین چیست؟ تعریف ساده و هدف اصلی آن
در یک تعریف بسیار ساده، ماشین هر وسیلهای است که به ما کمک میکند کاری را با صرف نیروی کمتر، در مسیر متفاوت یا با سرعت بیشتر انجام دهیم. نکته جالب اینجاست که ماشین لزوماً یک دستگاه برقی پیچیده یا یک خودرو نیست. حتی یک وسیله ساده مثل فندقشکن، چکش یا یک سطح شیبدار (رمپ) هم یک ماشین محسوب میشود. هدف اصلی همهی این وسایل مشترک است: تبدیل نیرویی که ما وارد میکنیم (ورودی) به نیرویی مؤثرتر برای انجام کار مورد نظر (خروجی).
دستهبندی ماشینها: از ساده تا مرکب
برای درک بهتر، دانشمندان ماشینها را در شش گروه اصلی به نام ماشینهای ساده2 دستهبندی کردهاند. این ماشینها، بلوکهای سازندهی ماشینهای پیچیدهتر هستند. در جدول زیر میتوانید این شش نوع، کاربرد و یک مثال ملموس از هرکدام را ببینید.
| نام ماشین ساده | تعریف و کار اصلی | مثالهای آشنا از زندگی |
|---|---|---|
| اهرم3 | میلهای محکم که حول یک نقطه ثابت (تکیهگاه) میچرخد. نیرو را بزرگتر میکند یا مسیر آن را تغییر میدهد. | الاکلنگ، دیلم، انبردست، فندقشکن، اهرم فرمان خودرو |
| قرقره4 | چرخی شیاردار که طناب حول آن میچرخد. جهت نیرو را تغییر میدهد و گاهی نیرو را نیز تقویت میکند. | قرقرهی پرچم، سیستم طناب و قرقرهی پرده، آسانسورهای ساده |
| چرخ و محور5 | چرخی که به یک میله (محور) متصل است. با چرخش چرخ، محور نیز میچرخد. باعث افزایش سرعت یا نیرو میشود. | فرمان خودرو، پیچ گوشتی، دستگیره در، چرخ چاه، چرخ گوشت دستی |
| سطح شیبدار6 | یک صفحهی صاف که یک سر آن بالاتر از سر دیگر است. برای بالا بردن اجسام با نیروی کمتر (اما در مسافت بیشتر) استفاده میشود. | رمپ ورودی ساختمانها، جادهی کوهستانی مارپیچ، پیچها |
| گوه7 | در واقع دو سطح شیبدار به هم چسبیده. برای جدا کردن اجسام، برش یا ثابت نگه داشتن آنها به کار میرود. | تیغهی چاقو، سر میخ، تبر، نوک مداد تراشیده شده |
| پیچ8 | یک سطح شیبدار مارپیچ که دور یک میله پیچیده شده است. نیروی چرخشی را به نیروی خطی قوی تبدیل میکند. | پیچ و مهره، درپوش قوطی مربا، گیرهی رومیزی، پرس سیر |
ماشینهای مرکب9 از ترکیب دو یا چند ماشین ساده ساخته میشوند. مثلاً یک قیچی ترکیبی از دو اهرم و یک گوه (تیغهها) است. یا یک دوچرخه پیچیدهتر است: پدال و زنجیر (چرخ و محور و اهرم)، ترمزها (اهرم)، فرمان (چرخ و محور) و حتی پنچرگیری از ترکیب یک اهرم و یک گوه استفاده میکند!
ماشینها در عمل: داستان یک جعبه سنگین
بیایید یک مثال عینی را قدمبهقدم با هم حل کنیم. فرض کنید باید یک جعبهی سنگین کتاب را از حیاط مدرسه به طبقهی اول کتابخانه ببرید. چگونه ماشینهای مختلف میتوانند به شما کمک کنند؟
روش اول (بدون ماشین): جعبه را مستقیماً بلند کرده و از پلهها بالا ببرید. این کار نیاز به نیروی بسیار زیادی دارد و خطرناک است.
روش دوم (استفاده از ماشین ساده): از یک چرخدستی استفاده میکنید. چرخدستی یک ماشین مرکب است. چرخ و محور آن (چرخ) باعث میشود غلبه بر اصطکاک زمین آسانتر شود (یعنی هل دادن سبکتر میشود). همچنین دستهی آن یک اهرم است که به شما اجازه میدهد با استفاده از وزن بدن خود، نیروی مؤثرتری برای بلند کردن بار وارد کنید. در نهایت، برای بالا بردن چرخدستی از روی پله، از یک سطح شیبدار (رمپ کنار پلهها) استفاده میکنید. این رمپ، نیروی لازم برای بالا بردن را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد، هرچند مسافت طی شده بیشتر میشود.
روش سوم (استفاده از ماشین پیچیدهتر): از آسانسور استفاده میکنید. آسانسور یک سیستم پیچیده از قرقرهها، موتورهای الکتریکی (که خود نوعی ماشین هستند) و سیستمهای کنترلی است. شما فقط دکمهای را فشار میدهید (اعمال یک نیروی بسیار کوچک) و آسانسور تمام کار سنگین بلند کردن را انجام میدهد. اینجا ماشین، هم در نیرو و هم در مسیر و سرعت کار، تغییر بنیادی ایجاد کرده است.
سوالات رایج و باورهای نادرست درباره ماشین
پاورقی
1 ماشین (Machine): وسیلهای که با دریافت انرژی، کار مشخصی را انجام میدهد و انجام آن کار را برای انسان آسانتر میکند.
2 ماشین ساده (Simple Machine): یکی از شش وسیلهی مکانیکی پایه که اساس ماشینهای پیچیدهتر را تشکیل میدهند.
3 اهرم (Lever)
4 قرقره (Pulley)
5 چرخ و محور (Wheel and Axle)
6 سطح شیبدار (Inclined Plane)
7 گوه (Wedge)
8 پیچ (Screw)
9 ماشین مرکب (Compound Machine): ماشینی که از ترکیب دو یا چند ماشین ساده ساخته شده است.
10 قانون پایستگی انرژی (Law of Conservation of Energy): انرژی نه به وجود میآید و نه از بین میرود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود.
11 بازده (Efficiency): نسبت کار مفید خروجی یک ماشین به کل کار یا انرژی ورودی به آن، معمولاً به صورت درصد بیان میشود.
