چرخ و محور: یک ماشین ساده اما قدرتمند
چرخ و محور چیست؟
اجزا و نحوه عملکرد
چرخ و محور در واقع یک نوع اهرم3 دایرهای است که از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
- چرخ (Wheel): قطعهای با شعاع بزرگتر که نیروی ورودی4 (تلاش ما) به آن وارد میشود.
- محور (Axle): قطعهای با شعاع کوچکتر که به مرکز چرخ متصل بوده و نیروی خروجی5 (بار یا مقاومت) بر آن اعمال میشود.
این دو قسمت به هم چسبیدهاند و هنگامی که یکی بچرخد، دیگری نیز میچرخد. نکته مهم اینجاست که چون شعاع چرخ بزرگتر از شعاع محور است، ما با اعمال نیرویی کوچک به چرخ، میتوانیم نیرویی بزرگتر را روی محور غلبه کنیم. به عبارت دیگر، چرخ و محور به ما مزیت مکانیکی میدهد.
| وسیله | نقش چرخ | نقش محور | نوع کاربرد |
|---|---|---|---|
| فرمان دوچرخه | قسمت گِرد بزرگی که دست میگیریم | میلهای که به چرخ جلو وصل است | تغییر جهت |
| آچار فرانسه | دسته بلند آچار | فکهایی که مهره را میگیرند | آسانتر باز کردن |
| چرخ چاه قدیمی | چرخ بزرگ دستی | محوری که طناب دور آن میپیچد | بلند کردن بار سنگین |
| درِ گردان (درب بانک/هتل) | قاب بزرگ در | ستون مرکزی که در حول آن میچرخد | تغییر عملکرد (آسانی حرکت) |
مزیت مکانیکی: فرمول ساده
مزیت مکانیکی (M.A) نشان میدهد که یک ماشین ساده، نیروی ما را چند برابر میکند. برای چرخ و محور، این مزیت از تقسیم شعاع چرخ به شعاع محور به دست میآید.
$ M.A = \frac{R}{r} $
که در آن:
$ R $ = شعاع چرخ (جایی که نیروی ما وارد میشود)
$ r $ = شعاع محور (جایی که بار قرار دارد)
مثال عددی: اگر شعاع فرمان دوچرخه شما 20 سانتیمتر و شعاع میلهای که به چرخ وصل است 2 سانتیمتر باشد، مزیت مکانیکی برابر است با: $ M.A = \frac{20}{2} = 10 $ . این یعنی نیروی دست شما 10 برابر میشود تا بتواند چرخ سنگین دوچرخه را بچرخاند.
چرخ و محور در اطراف ما: از دوچرخه تا شیر آب
بیایید نگاهی به اتاق خود بیندازیم! احتمالاً چندین وسیله میبینید که از چرخ و محور استفاده میکنند:
- مدادتراش رومیزی: دسته بزرگ (چرخ) را میچرخانید تا تیغه داخل (محور) بچرخد و مداد را بتراشد. دسته بزرگ باعث میشود کار آسانتر شود.
- پیچ گوشتی: دسته ضخیم پیچ گوشتی نقش چرخ را دارد. وقتی آن را میچرخانید، نیرو به میله باریکتر (محور) و سپس به سر پیچ منتقل میشود. یک پیچ گوشتی با دسته پلاستیکی ضخیم، مزیت مکانیکی بیشتری دارد و چرخاندن پیچهای سفت را راحتتر میکند.
- شیر آب معمولی: وقتی فلکه شیر (چرخ) را میچرخانید، یک میله (محور) که به یک واشر لاستیکی متصل است، بالا و پایین میرود و جریان آب را قطع یا وصل میکند.
- چرخ دستی: خود چرخهای آن یک مثال کامل هستند! لاستیک دور آن شعاع بزرگ (چرخ) است و میلهای که چرخ حول آن میچرخد، محور است. این طراحی باعث میشود جابجایی بارهای سنگین با اصطکاک کم ممکن شود.
حتی کلید درب نیز یک چرخ و محور است. قسمت پهن کلید (چرخ) را میچرخانید تا قسمت باریک و دندانهدار (محور) قفل را باز کند.
پرسشهای متداول و اشتباهات رایج
پاورقی
1 ماشین ساده (Simple Machine): ابزارهای پایهای که با تغییر اندازه یا جهت نیرو، کار را آسانتر میکنند. شش نوع اصلی دارند: اهرم، چرخ و محور، قرقره، سطح شیبدار، گوه و پیچ.
2 مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage – M.A): عددی که نشان میدهد یک ماشین ساده، نیروی وارد شده را چند برابر میکند.
3 اهرم (Lever): میلهای صلب که حول یک نقطه تکیهگاه میچرخد و نیرو را انتقال میدهد.
4 نیروی ورودی (Effort Force): نیرویی که ما به ماشین وارد میکنیم.
5 نیروی خروجی (Load/Resistance Force): نیرویی که ماشین برای غلبه بر بار (مانند وزن یک شی) تولید میکند.
