کار ورودی و خروجی ماشین: کاری که برای راه‌اندازی و استفاده از ماشین انجام می‌دهیم، کاری که ماشین برای ما انجام می‌دهد.

کار ورودی و خروجی ماشین

ماشین چیست و چگونه کار می‌کند؟

در علم، ماشین هر وسیله‌ای است که کار را آسان‌تر می‌کند. اما «کار» در اینجا به چه معناست؟ وقتی شما یک جسم را با اعمال نیرو جابه‌جا می‌کنید، در واقع کار انجام داده‌اید. ماشین‌ها این کار را برای ما ساده‌تر می‌کنند. آن‌ها این کار را با تغییر اندازه یا جهت نیرویی که ما اعمال می‌کنیم، انجام می‌دهند.

هر ماشین، هرچقدر هم ساده یا پیچیده باشد، دو چیز اصلی دارد:

۱. کار ورودی (کاری که ما انجام می‌دهیم): نیرویی است که ما برای راه‌اندازی ماشین به آن وارد می‌کنیم. مثلاً فشردن پدال دوچرخه، کشیدن دستهٔ فرغون یا زدن کلید چراغ مطالعه.

۲. کار خروجی (کاری که ماشین انجام می‌دهد): کاری است که ماشین در پاسخ به کار ورودی ما انجام می‌دهد. مثلاً چرخش چرخ دوچرخه، بلند شدن بار فرغون یا روشن شدن لامپ چراغ مطالعه.

رابطهٔ بین این دو را می‌توان به شکل زیر نشان داد:

دسته‌بندی ماشین‌های ساده و کار آن‌ها

بسیاری از ماشین‌های پیچیده، از ترکیب چند ماشین ساده درست شده‌اند. شناخت این ماشین‌های ساده، درک موضوع را بسیار راحت‌تر می‌کند. در جدول زیر شش ماشین سادهٔ اصلی و مثال‌های آشنا از هرکدام را می‌بینیم:

از اهرم تا خودرو: داستان یک دوچرخه

بیایید با هم یک دوچرخه را بررسی کنیم. دوچرخه یک ماشین ترکیبی فوق‌العاده است که چندین ماشین ساده در آن به کار رفته تا کار ورودی ما (پا زدن) را به کار خروجی مفید (حرکت چرخ‌ها) تبدیل کند.

مرحله ۱ (کار ورودی اولیه): شما با عضلات پایتان روی پدال‌ها نیرو وارد می‌کنید. این نیرو، کار ورودی اصلی است.

مرحله ۲ (تبدیل در سیستم پدال): پدال و crank (دستهٔ پدال) در واقع یک چرخ و محور هستند. چرخاندن پدال (چرخ بزرگ) باعث می‌شود تا محور مرکزی آن با نیروی بیشتری بچرخد.

مرحله ۳ (انتقال نیرو): زنجیر دوچرخه، نیروی چرخش را از محور پدال به چرخ عقب منتقل می‌کند. چرخ‌دنده‌های کوچک و بزرگ در اینجا مانند قرقره‌های متصل به هم عمل می‌کنند و می‌توانند اندازهٔ نیرو و سرعت را تغییر دهند.

مرحله ۴ (کار خروجی نهایی): چرخش چرخ عقب، باعث چرخش چرخ جلو از طریق یک محور (یا مستقیماً) شده و در نهایت کل دوچرخه به حرکت درمی‌آید. این حرکت، کار خروجی ماشین دوچرخه است. می‌بینید که یک وسیلهٔ ساده چقدر هوشمندانه طراحی شده تا کار ما را آسان کند!

بهره‌وری: آیا همهٔ کار ورودی مفید است؟

یک سؤال مهم: آیا تمام کاری که ما به ماشین وارد می‌کنیم، صرف انجام کار خروجی می‌شود؟ متأسفانه پاسخ منفی است. در دنیای واقعی، بخشی از انرژی و کار ورودی ما به دلایلی مثل اصطکاک، تولید صدا یا گرما تلف می‌شود.

مفهوم بهره‌وری به ما می‌گوید یک ماشین چقدر از کار ورودی را به کار خروجی مفید تبدیل می‌کند. اگر بخواهیم آن را به شکل یک نسبت ساده نشان دهیم:

مثال: یک لامپ رشته‌ای قدیمی را در نظر بگیرید. کار ورودی: انرژی الکتریکی. کار خروجی مفید مورد انتظار ما: نور. اما بخش زیادی از انرژی الکتریکی به جای نور، به گرما تبدیل می‌شود. بنابراین بازده این لامپ کم است (حدود 5%). در مقابل، یک لامپ ال‌ای‌دی⁵ بازده بسیار بالاتری دارد (حدود 80-90%) چون انرژی کمتری را به گرما تبدیل می‌کند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹کار ورودی (Input Work): کاری که توسط کاربر یا یک منبع انرژی به ماشین وارد می‌شود تا آن را به کار اندازد.

²کار خروجی (Output Work): کاری که ماشین در نتیجهٔ دریافت کار ورودی، بر روی یک جسم یا محیط انجام می‌دهد.

³ماشین (Machine): وسیله‌ای که با دریافت انرژی، کار را آسان‌تر می‌کند یا شکل انرژی را تغییر می‌دهد.

⁴بهره‌وری (Efficiency): در فیزیک و مهندسی، نسبت انرژی یا کار مفید خروجی به کل انرژی یا کار ورودی است که به صورت درصد بیان می‌شود.

⁵ال‌ای‌دی (LED): مخفف Light Emitting Diode به معنای «دیود نور‌افشان». نوعی لامپ است که برق را با اتلاف گرمای بسیار کم‌تری نسبت به لامپ‌های رشته‌ای به نور تبدیل می‌کند.