اهرم: شاهکلید دنیای ماشینهای ساده
ماجرای سه نقطه کلیدی: شناخت اجزای اهرم
برای فهم اهرم، اول باید سه نقطه مهم روی آن را بشناسیم. تصور کن یک میلهی بلند و صاف داری. این میله حول یک نقطه ثابت میچرخد. به این سه نقطه دقت کن:
| نام نقطه | نماد | تعریف | مثال (الاکلنگ) |
|---|---|---|---|
| تکیهگاه2 | F | نقطهای که میله حول آن میچرخد. | پایه وسط الاکلنگ |
| نقطه اثر نیروی محرک3 | E | جایی که ما نیرو وارد میکنیم. | جایی که مینشینی تا پایین بروی |
| نقطه اثر نیروی مقاوم4 | R | جایی که بار (وزن جسم) قرار دارد. | جایی که دوستت نشسته و بالا میرود |
فاصله هر کدام از این نقاط تا تکیهگاه، بازوی اهرم نامیده میشود. مثلاً بازوی محرک فاصله نقطه E تا F و بازوی مقاوم فاصله نقطه R تا F است. این فاصلهها کلید معجزه اهرم هستند.
سه نوع اهرم: تفاوت در آرایش نیروها
بسته به اینکه این سه نقطه (تکیهگاه، نیروی محرک، نیروی مقاوم) چه ترتیبی نسبت به هم داشته باشند، اهرمها به سه نوع یا درجه تقسیم میشوند. این طبقهبندی به ما کمک میکند کاربردهای مختلف اهرم را بهتر درک کنیم.
| نوع اهرم | ترتیب نقاط (از چپ به راست) | مزیت اصلی | مثالهای روزمره |
|---|---|---|---|
| اهرم نوع اول | محرک - تکیهگاه - مقاوم یا برعکس |
میتواند هم نیرو را افزایش دهد و هم جهت نیرو را تغییر دهد. | الاکلنگ، قیچی، انبر دست، ترازوی دوکفهای |
| اهرم نوع دوم | تکیهگاه - مقاوم - محرک | افزایش نیرو (همیشه مزیت مکانیکی بیشتر از 1 است). | فرغون، درب بازکن نوشابه، فندقشکن |
| اهرم نوع سوم | تکیهگاه - محرک - مقاوم | افزایش مسافت و سرعت (مزیت مکانیکی کمتر از 1). | انبردست (مواقعی که برای گرفتن چیزی از نوک آن استفاده میکنی)، جاروی فراشی، ماهیچههای بازوی انسان |
$F_E \times d_E = F_R \times d_R$
که در آن $F_E$ نیروی محرک ما، $d_E$ طول بازوی محرک، $F_R$ نیروی مقاوم (وزن بار) و $d_R$ طول بازوی مقاوم است. این اصل تعادل گشتاورها نام دارد.
اهرم در عمل: از زمین بازی تا گاراژ خانه
بیا چند مثال عملی را با هم بررسی کنیم تا ببینیم این فرمول و انواع اهرم چطور زندگی را آسانتر میکنند.
مثال ۱: الاکلنگ (نوع اول) فرض کن تو و دوستت روی الاکلنگ نشستهاید. تو سنگینتر هستی. برای متعادل کردن الاکلنگ، دوست سبکوزنتر باید به تکیهگاه نزدیکتر شود یا تو باید از تکیهگاه دورتر شوی. طبق فرمول بالا، با افزایش فاصلهی تو از تکیهگاه ($d_E$)، حاصلضرب نیروی وزن تو در فاصلهاش، با حاصلضرب مشابه برای دوستت برابر میشود و تعادل برقرار میگردد. پس اهرم نوع اول میتواند با تغییر فاصلهها، اثر نیروهای نامساوی را خنثی کند.
مثال ۲: فرغون (نوع دوم) وقتی با فرغون یک بار سنگین مثل خاک را جابهجا میکنی، تکیهگاه در محل چرخ است. بار سنگین (نیروی مقاوم) بین چرخ و دستهها (نقطه اثر نیروی محرک تو) قرار دارد. چون بازوی محرک (فاصله دسته تا چرخ) از بازوی مقاوم (فاصله مرکز بار تا چرخ) بسیار بلندتر است، طبق فرمول، نیروی کمی از طرف تو لازم است تا بار سنگین را بلند کنی. مزیت مکانیکی فرغون بالاست!
مثال ۳: انبرک (نوع سوم) وقتی با انبرک یک تکه یخ کوچک را از یخچال برمیداری، تکیهگاه در محل اتصال دو دسته است. تو نزدیک به تکیهگاه نیرو وارد میکنی (بازوی محرک کوتاه) و نوک انبرک که بار را میگیرد، دور از تکیهگاه است (بازوی مقاوم بلند). در این حالت، نیروی تو باید از وزن یخ بیشتر باشد (مزیت مکانیکی کمتر از یک)، اما مزیت کار اینجاست: حرکت کوچک دستهای تو، باعث حرکت بزرگ و سریع نوک انبرک میشود و کنترل دقیقی به تو میدهد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر، اصلاً این طور نیست. کاربرد اصلی اهرم نوع سوم، افزایش مسافت جابجایی و سرعت است. مثل راکت تنیس یا بیسبال: حرکت کوتاه و سریع مچ دست، باعث حرکت بلند و سریع راکت میشود. یا در انبرک، کنترل و دقت بیشتر میشود. هر نوع اهرم برای کاری ساخته شده است.
این یک اشتباه رایج است. موقعیت تکیهگاه است که نوع اهرم را مشخص میکند و میتواند در هر نقطهای از طول میله باشد. در قیچی (نوع اول) تکیهگاه در وسط قرار دارد، اما در فرغون (نوع دوم) در یک سر اهرم (محل چرخ) است.
مزیت مکانیکی5 (MA) نشان میدهد اهرم چند برابر نیروی ما را تقویت میکند. به زبان ساده، نسبت نیروی مقاوم به نیروی محرک است. از روی فرمول اصلی هم میتوان آن را پیدا کرد:
$MA = \frac{F_R}{F_E} = \frac{d_E}{d_R}$
پس اگر بازوی محرک 4 برابر بازوی مقاوم باشد، مزیت مکانیکی 4 است. یعنی میتوانی باری به سنگینی 4 برابر نیروی خودت را بلند کنی!
پاورقی
1 اهرم (Lever)
2 تکیهگاه (Fulcrum)
3 نقطه اثر نیروی محرک (Effort)
4 نقطه اثر نیروی مقاوم (Load/Resistance)
5 مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage - MA): عددی که نشان میدهد یک ماشین ساده چند برابر نیروی ورودی را افزایش میدهد.
