ماشینهای ساده: قهرمانان نادیدهگرفتهشدهی زندگی ما
ماشین ساده چیست؟ یک معامله هوشمندانه با طبیعت
در نگاه اول، کلمهٔ «ماشین» ممکن است موتورهای پیچیده یا روباتهای پیشرفته را در ذهن ما تداعی کند. اما در فیزیک، ماشینهای ساده۱ معنی متفاوتی دارند. اینها ابزارهایی هستند که قطعات متحرک کمی دارند یا اصلاً ندارند و یک کار مشخص انجام میدهند: آنها کار را آسانتر میکنند .
اما این «آسانتر کردن» چگونه اتفاق میافتد؟ ماشینهای ساده معمولاً کاری که از نظر علمی «کار»۲ نامیده میشود را کم یا زیاد نمیکنند. بلکه بین نیرو و مسافت یک معامله برقرار میکنند. برای درک این موضوع، بلند کردن یک جعبهٔ سنگین را مستقیماً از روی زمین در نظر بگیرید. این کار به نیروی زیادی نیاز دارد. حالا فرض کنید همان جعبه را روی یک تخته که یک سر آن روی کامیون است (یک سطح شیبدار) میغلطانید. در این حالت، نیروی کمتری لازم دارید، اما باید جعبه را در مسافت طولانیتری (طول تخته) هل دهید . این همان اصل پایه است: شما میتوانید نیروی خود را کاهش دهید، به شرطی که آن را در مسافت بیشتری اعمال کنید. به این تراکنش مفید، مزیت مکانیکی۳ میگویند.
در حالت ایدهآل، مزیت مکانیکی از تقسیم مسافتی که شما نیرو وارد میکنید (نیروی محرک) بر مسافتی که بار جابهجا میشود (نیروی مقاوم) به دست میآید. این را میتوان به صورت زیر نشان داد:
$MA = \frac{d_e}{d_r}$
که در آن MA مزیت مکانیکی، d_e مسیر نیروی شما و d_r مسیر حرکت بار است .
معرفی شش قهرمان: انواع ماشینهای ساده
مهندسان و دانشمندان به طور کلی شش نوع ماشین ساده را شناسایی کردهاند که بلوکهای ساختمانی تمام ماشینهای پیچیدهتر هستند . درک این شش نوع، کلید فهم مکانیک دنیای اطراف ماست.
| نام ماشین | تعریف و کار اصلی | مثالهایی از زندگی روزمره |
|---|---|---|
| اهرم۴ | یک میلهٔ صلب که حول نقطهای ثابت به نام تکیهگاه۵ میچرخد. نیرو را تقویت یا جهت آن را تغییر میدهد. | الاکلنگ، دیلم، انبردست، قیچی، سطل زبالهٔ پدالی . |
| سطح شیبدار۶ | یک صفحهٔ صاف که یک سر آن بالاتر از سر دیگر است. برای بالا بردن اجسام، نیروی کمتری لازم است اما مسافت بیشتری طی میشود. | رمپ ورودی ساختمانها، جادهٔ کوهستانی پیچدرپیچ، سرسره . |
| قرقره۷ | چرخی با یک شیار که طناب از آن عبور میکند. جهت نیرو را تغییر میدهد یا با ترکیب چند قرقره، نیرو را چند برابر میکند. | سیستم پرچم مدرسه، طناب کشیدن چاه قدیمی، برخی جرثقیلها . |
| چرخ و محور۸ | یک چرخ که به یک میله (محور) متصل است. نیروی چرخشی کوچک روی چرخ، به نیروی چرخشی بزرگتر روی محور تبدیل میشود (و برعکس). | فرمان دوچرخه یا ماشین، دستهٔ در، چرخ چاه، پیچ گوشتی . |
| گوه۹ | در واقع دو سطح شیبدار متصل به هم است. برای شکافتن، برش دادن یا نگهداشتن اجسام استفاده میشود. | تیشه، نوک میخ، لبهٔ چاقو، سوکت درگاه دیواری . |
| پیچ۱۰ | یک سطح شیبدار (رامپ) است که به دور یک میله پیچیده شده. نیروی چرخشی کوچک را به نیروی فشاری یا کششی بزرگ تبدیل میکند. | پیچ و مهره، گیرهٔ رومیزی، درپوش بطری، پرس پیچی (جک) . |
از اهرم تا آسمانخراش: ماشینهای ساده در عمل
حالا که با این قهرمانان آشنا شدیم، بیایید با چشمی تازه به اطراف نگاه کنیم. وقتی با یک چرخدستی خاک باغچه را جابهجا میکنید، در حال استفاده از یک اهرم درجه دو (بار بین تکیهگاه و نیرو) هستید که بلند کردن وزن سنگین را آسان میکند . وقتی با پیچ گوشتی پیچی را میبندید، در حال استفاده از یک چرخ و محور هستید که نیروی چرخش دست شما را تقویت میکند. حتی بدن شما پر از ماشین ساده است! مفاصل شما مانند تکیهگاه، و استخوانهایتان مانند اهرم عمل میکنند تا بتوانید اجسام را بلند کنید .
ماشینهای پیچیدهای که میشناسیم نیز ترکیبی از همین شش نوع هستند. یک دوچرخه شامل چرخ و محور (چرخها)، اهرم (ترمزها و پدال) و قرقره (دندهها) است . یک جرثقیل ساختمانی غولپیکر، قدرت خود را از ترکیب اهرمهای بلند (بازو)، قرقرههای مرکب (سیستم کابل) و چرخومحورهای قدرتمند (موتور) میگیرد . نکتهٔ جالب اینجاست که این اصول از گذشتههای دور نیز استفاده میشدهاند. مصریان باستان برای ساخت اهرام عظیم، از سطح شیبدار (رمپ) برای کشیدن بلوکهای سنگی سنگین به ارتفاعات استفاده میکردند .
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. طبق قانون پایستگی انرژی، ماشینها نمیتوانند کار تولید کنند یا آن را نابود کنند. آنها فقط شرایط انجام کار را تغییر میدهند. شما یا نیروی کمتری در مسافت بیشتری اعمال میکنید (مانند سطح شیبدار) یا جهت نیرو را به بهای اعمال نیروی بیشتر تغییر میدهید (مانند یک قرقرهٔ ساده) . مقدار انرژی مصرفشده در نهایت تقریباً ثابت میماند.
پاسخ: این یک پرسش دقیق است. از نظر فنی، گوه یک سطح شیبدار متحرک است و پیچ یک سطح شیبدار مارپیچ دور یک استوانه. اما چون عملکرد بسیار متمایز و پرکاربردی دارند (گوه برای شکافتن و برش، پیچ برای اتصال و اعمال فشار)، به عنوان ماشینهای سادهٔ جداگانه و مستقل طبقهبندی میشوند .
پاسخ: خیر. کار اصلی چرخ به تنهایی، کاهش اصطکاک است که مفهوم متفاوتی است. ماشین سادهٔ مرتبط، «چرخ و محور» است. وقتی چرخ به یک محور متصل میشود و با هم کار میکنند، میتوانند مزیت مکانیکی ایجاد کرده و نیرو را افزایش دهند (مثل فرمان دوچرخه) .
پاورقی
1.ماشینهای ساده (Simple Machines): ابزارهای مکانیکی با تعداد کم یا بدون قطعات متحرک که با تغییر جهت یا اندازهٔ نیرو، انجام کار را آسانتر میکنند .
2.کار (Work): در فیزیک، حاصلضرب نیروی وارد بر جسم در مسافتی است که جسم در جهت آن نیرو جابهجا میشود. واحد آن ژول (J) است .
3.مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA): عددی که نشان میدهد یک ماشین ساده چند برابر نیروی ورودی را افزایش میدهد یا مسافت را تغییر میدهد .
4.اهرم (Lever) 5.تکیهگاه (Fulcrum) 6.سطح شیبدار (Inclined Plane) 7.قرقره (Pulley) 8.چرخ و محور (Wheel and Axle) 9.گوه (Wedge) 10.پیچ (Screw)
