سطح شیبدار: سطحی مورب برای بالا بردن جسم با نیروی کمتر و مسافت بیشتر

سطح شیبدار: ماشین ساده‌ای که جابجایی را راحت‌تر می‌کند

سطح شیبدار چیست و چگونه کار می‌کند؟

فرض کنید می‌خواهید یک بشکه سنگین را به پشت یک وانت بار بزنید. بلند کردن مستقیم آن از زمین بسیار سخت است چون باید بر تمام وزن آن در جهت مخالف گرانش غلبه کنید. اما اگر یک تخته بلند و محکم را به لبه وانت تکیه دهید و بشکه را روی آن به سمت بالا بغلتانید، کار بسیار راحت‌تر خواهد شد. این تخته، یک سطح شیبدار^[1] است.

سطح شیبدار اساساً یک مایل‌گاه یا راه‌راه صاف است که ارتفاع کمتری نسبت به طولش دارد. کلید درک آن، معامله‌ای است که انجام می‌دهد: شما مسافت بیشتری را طی می‌کنید (باید جسم را در طول شیب جابجا کنید)، اما در عوض به نیروی کمتری نیاز دارید.

عوامل مؤثر بر نیروی مورد نیاز در سطح شیبدار

میزان نیرویی که برای کشیدن جسم روی شیب نیاز دارید، به دو عامل اصلی بستگی دارد:

1. طول سطح شیبدار: هرچه تخته بلندتر (و در نتیجه شیب ملایم‌تر) باشد، نیروی کمتری لازم است.
2. ارتفاع سطح شیبدار: هرچه ارتفاعی که باید جسم را بالا ببرید بیشتر باشد، به نیروی بیشتری نیاز خواهید داشت (یا باید طول شیب را باز هم افزایش دهید).

این رابطه را می‌توان به صورت زیر نشان داد:

به این ترتیب اگر طول شیب دو برابر شود، نیروی لازم تقریباً نصف می‌شود. در جدول زیر، تأثیر تغییر این عوامل را با یک مثال عددی ساده می‌بینید:

سطح شیبدار در اطراف ما: از رمپ پارکینگ تا پیچ‌و‌خم جاده کوهستانی

شما هر روز با انواع مختلف سطح شیبدار سر و کار دارید، حتی اگر به آن فکر نکنید. در اینجا چند نمونه آشنا را با هم مرور می‌کنیم:

• رمپ^[2] پارکینگ‌ها یا پیاده‌روها: ویلچر، فرغون یا حتی دوچرخه به راحتی از روی این سطوح شیبدار بالا و پایین می‌روند. اگر این رمپ‌ها نبودند، بالا آوردن چرخ‌دارها از پله کار بسیار دشواری بود.
• جاده‌های کوهستانی: رانندگان برای رسیدن به قله یک کوه، به جای اینکه مستقیم و با شیب بسیار تند بالا بروند، از جاده‌ای پیچ در پیچ و طولانی استفاده می‌کنند. این جاده یک سطح شیبدار بزرگ است که نیروی لازم برای غلبه ماشین بر ارتفاع را کاهش می‌دهد.
• پیچ^[3]: وقتی میخ بزرگی را با پیچ گوشتی داخل چوب می‌چرخانید، در واقع از یک سطح شیبدار مارپیچ (نخ پیچ) استفاده می‌کنید. چرخاندن پیچ گوشتی (طی کردن مسافت زیاد در دور گردش) باعث می‌شود میخ با نیروی زیادی وارد چوب شود (غلبه بر مقاومت چوب در مسافت کم).
• سرسره: این بار جهت کار برعکس است. سطح شیبدار به جای کمک برای بالا بردن، به پایین آمدن کمک می‌کند. نیروی گرانش شما را در طول شیب به پایین می‌کشد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^[1]سطح شیبدار (Inclined Plane): یک سطح صاف که با افق زاویه‌ای کوچکتر از 90 درجه می‌سازد و برای بالا بردن یا پایین آوردن اجسام با اعمال نیروی کمتر استفاده می‌شود.

^[2]رمپ (Ramp): معادل عملی و رایج سطح شیبدار، معمولاً برای دسترسی چرخ‌دارها یا وسایل نقلیه به سطوح مختلف ارتفاع.

^[3]پیچ (Screw): یک ماشین ساده که در واقع یک سطح شیبدار (نخ پیچ) است که به دور یک میله پیچیده شده است.