چگونه می توانیم شیئی راکه خیلی سنگین است، حمل یا جاب هجا کنیم؟ به نظر شما ایرانیان دورهٔ باستان، چگونه توانسته اند قطعات سنگین تخت جمشید را روی هم قرار دهند؟ یا امروزه چگونه ماهواره ها را به فضا پرتاب م یکنند؟ پاسخ این سؤالات، قطعاً استفاده از ماشی ن است.ماشین ها به ما اجازهٔ انجام کارهای فراتر از انتظار را می دهند. بلند کردن خودرو به وسیلهٔ جک، جابه جایی میلیون ها لیتر نفت توسط یک کشتی، حفر تونل بین 5 متر، ساخت پ لهای چند کیلومتری، دو جزیره در زیر دریا، ساختن آسمان خرا شهایی با ارتفاع بیش از 00 پرتاب ماهوار هها و ...، تنها بخش کوچکی از کارهایی است که به کمک ماشین ها صورت می گیرد.


بشر به کمک اختراع و طراحی هوشمندانهٔ ماشین ها توانایی انجام کار خود را بسیار افزایش داده است. انسان های اولیه از جابه جا کردن تخته سنگ های بزرگ یا تنه های درخت عاجز بودند در حالی که امروزه با استفاده از ماشین ها می توانیم سازه های عظیم و بسیار سنگین را جابه جا کنیم.

ماشین ها چگونه به ما کمک می کنند؟

تصور زندگی بدون ماشین، بسیار سخت است. ماشین ها در بیشتر کارهای روزانهٔ ما نقش اساسی دارند و به ما کمک م یکنند. هر ماشین برای منظور و کار مشخصی طراحی و ساخته شد ه است. برای درک بهتر این موضوع، خوب است درباره ورودی و خروجی یک ماشین، فکر کنیم. ورودی ماشین شامل همهٔ آن چیزهایی است که انجام م یدهیم تا ماشین کار کند وخروجی آن چیزی است که ماشین برای ما انجام می دهد. مثلا برای حرکت دوچرخه، نیرویی که به پدال وارد م یکنیم، ورودی ماشین وخروجی آن حرکتی است که دوچرخه انجام م یدهد )مانند سری عتر حرکت کردن یا از یک شیب بالا رفتن(. ورودی یا خروجی ماشی نها ممکن است براساس نیرو، توان یا انرژی بررسی شوند.



هر ماشینی می تواند از اجزای ساده تری به نام ماشین ساده تشکیل شده باشد. این اجزا با هم در ارتباط اند و یک هدف را دنبال م یکنند؛ مثلاً در ساخت دوچرخه از ماشی نهای ساده ای مانند: اهرم، چرخ و محور، پیچ و مهره، چر خدنده و ... استفاده م یشود تا بتواند کار نیروی ماهیچه ای ما را تبدیل به انرژی جنبشی کند. دوچرخه به ما امکان حرکت سری عتر و جاب هجایی بیشتری را می دهد.

ماشین ساده

تولید خودروها، هواپیماها، کشت یها، ماهواره ها و سایر ماشین های پیچیده با اختراع ماشین های ساده، صورت گرفته است. یک ماشین ساده مانند اهرم، وسیله ای مکانیکی است که کار ساده ای انجام م یدهد. مثلاً با یک اهرم، شما می توانید یک جسم سنگین را که وزن آن چند برابر وزن خودتان است، حرکت دهید. شکل 4 شخصی را نشان م یدهد که با یک اهرم، جسم سنگینی را بلند می کند.



در دورهٔ ابتدایی با تعدادی از ماشی نهای ساده مانند اهر مها،سطح شی بدار و قرقره به صورت مقدماتی آشنا شدیم. در اینجا به بررسی دقی قتر برخی از انواع این ماشین ها می پردازیم.



قبل از آنکه به بررسی ماشی نهای ساده بپردازیم، مفهوم گشتاور نیرو را بیان می کنیم که در تحلیل برخی ماشی نها به ما کمک می کند.

گشتاور نیرو

در علوم سال های قبل اثر نیرو بر یک جسم را بررسی کردیم، یکی دیگر از اثرهای نیرو، اثر چرخانندگی آن است. مثلا برای باز و بسته کردن در اتاق، به آن نیرو وارد می کنید و در حول لولایش می چرخد. با وارد کردن نیرو به دستهٔ آچار، پیچ را شل یا سفت م یکنید. با وارد کردن نیرو به فرمان دوچرخه، آن را م یچرخانید و دوچرخه را در جهتی که لازم است، هدایت می کنید.


اثر چرخانندگی یک نیرو را گشتاور نیرو می گوییم. برای شناسایی عوامل مؤثر بر گشتاور نیرو،آزمایش زیر را انجام دهید.

تأثير چرخشي که دستتان احساس م يکند و بايد با آن مقابله کند تا خ طکش را به صورت افقي نگه دارد، ناشي ازگشتاور نيرويي است که وزنه ها ايجاد کرده اند. همان طور که از آزمايش پي برده ايد، اندازه. نيرو و فاصله. نيرو )دست( تا محور چرخش در گشتاور نيرو، مؤثر است.

بزرگی گشتاور نیرو برابر با حاصل ضرب اندازهٔ نیرو در فاصلهٔ محل اثر نیرو تا محور چرخش است.



با توجه به اینکه یکای نیرو نیوتون N و یکای فاصله متر M است، یکای گشتاور نیرو، نیوتون متر Nm است.

اکنون که با گشتاور نیرو آشنا شدیم، م یتوانیم درک بهتری از اساس کار برخی از ماشین های ساده به دست آوریم.

اهرم

اهرم ها به شک لهاي مختلفي وجود دارند. ساد هترين شکل اهرم، الاکلنگ است که در وسط ميله. آن، يک تکي هگاه قرار دارد. وقتي به يک طرف الاکلنگ نيرويي به سمت پايين وارد م يشود،آن سمت به طرف پايين وسمت مقابل به طرف بالا حرکت مي کند.
می توان فاصلهٔ دو جسم از تکی هگاه اهرم را چنان تنظیم کرد که اهرم در حالت تعادل قرار گیرد.


در این حالت، اثر چرخشی هر یک از نیروها یکدیگر را خنثی م یکنند. به عبارت دیگر،در حالت تعادل، اندازهٔ گشتاور نیرویی که هر یک از نیروها نسبت به تکی هگاه ایجاد م یکنند، باهم برابر و جهت چرخششان مخالف یکدیگر است.


به دست م يآيد، م يخواهد اهرم را به صورت ساعتگرد d1×F که از رابطه. 1 F در شکل 9، گشتاور نيروي 1 به دست d2×F که از رابطه. 2 F (در جهت حرکت عقربه هاي ساعت) بچرخاند و گشتاور نيروي ناشي از 2 م يآيد، م يخواهد اهرم را به صورت پاد ساعتگرد در خلاف (جهت حرکت عقرب ههاي ساعت) بچرخاند. در حالت تعادل، گشتاور نيروي ساعت گرد با گشتاور نيروي پادساعتگرد هم اندازه است:



مثلاً در شکل 10 گشتاور نیروی ناشی از وزن پدر با گشتاور نیروی ناشی از وزن پسر، هم اندازه است، اما گشتاور ناشی از وزن پدر به صورت پادساعتگرد و گشتاور ناشی از وزن پسر به صورت ساعتگرد است و به همین دلیل آنها در تعادل اند.

مزیت مکانیکی

مزیت مکانیکی یک ماشین در حالت تعادل، به صورت نسبت اندازهٔ نیروی مقاوم به اندازهٔ نیروی محرک، تعریف می شود:


مثلاً اگر مزیت مکانیکی یک ماشین 5 و نیروی مقاوم 1000N باشد می توان با نیروی محرک 200N نیروی مقاوم 1000N را جابه جا کرد.

قرقره ها: با طناب و قرقره نيز مي توان ماشين ساده ساخت. با استفاده از چنين ماشيني مي توان اجسام سنگين را بلند کرد )شکل 12 (. هر قرقره محوري دارد که حول آن مي تواند آزادانه بچرخد. در شکل 13 ، دو نحوه. اصلي استفاده از قرقره را مشاهده مي کنيد.



وقتی یک طرفِ طناب سبکی را که انتهای آن به دیواری بسته شده است، با نیروی 5N می کشیم، در تمام طول طناب، نيروي کشش 5N برقرار م یشود. یعنی نیروی کشش طناب در طول آن، ثابت است. مثلا در شکل الف، برای بلند کردن سطلی به وزن 40 نیوتون طناب را بکشیم، اما در شکل ب برای بلند کردن سطل 40N باید نیروی محرک 20N را وارد کنیم.


شکل 14 ، سه ترکيب متفاوت از به هم بستن طناب و قرقره را نشان مي دهد. در شکل الف براي بلندکردن وزنه. 50 نيوتوني )نيروي مقاوم( نيروي محرک 50N لازم است. در شکل ب با نیروی محرک 50N 50 م یتوان وزنهٔ 100 نیوتونی )نیروی N محرک مقاوم( را بلند کرد. در شکل پ با نیروی محرک 50N می توان وزنهٔ
150 نیوتونی (نیروی مقاوم) را بلند کرد.

0 استفاده کردیم. یعنی با N 150 از نیروی کوچک تر N در شکل پ برای جاب هجایی جسم سنگین ترکیبی از قرقره ها و طناب توانستیم به کمک یک نیروی کوچک، جسم سنگینی را به سمت بالا جابه جا کنیم. اما در این فرایند،جاب هجایی طناب، 3 برابر جابه جایی وزنهٔ سنگین است. یعنی اندازهٔ کار نیروی محرک با اندازهٔ کار نیروی مقاوم برابر است )البته با صرف نظر کردن از اصطکاک(. به عبارت دیگر ٣ m ٥٠ به اندازهٔ N ١ بالا ببریم باید طناب را با نیروی m برای آنکه وزنهٔ ١٥٠ نیوتونی را به اندازهٔ 1 جابه جا می شود(. بنابراین براساس قانون پایستگی m بکشیم )هر یک از سه طناب متصل به وزنه انرژی و با صرف نظر کردن از اصطکاک، م یتوانیم بنویسیم:


چرخ دنده ها: در اغلب ماشين هايي که مي چرخند از چرخ دنده استفاده مي شود. ماشيني مانند يک دريل کوچک در سرعت هاي بالا به نيروي کمي احتياج دارد و ماشين هاي ديگري مانند چرخ هاي بزرگ )پر هدار( پشت کشتي هاي بخار، به نيروي زيادي در سرعت هاي کم، احتياج دارند.

چگونگی کارکرد چرخ دنده ها به تعداد دندانه های آن، بستگی دارد. مثلاً در دندانه های نشان داده شده در شکل 16 ، چرخ دندهٔ بزرگ تر دارای 36 دنده و دومی دارای 12 دنده است. این چرخ دند هها با هم تماس دارند و با فرض آنکه روی هم نمی لغزند )سُر نمی خورند(، وقتی چرخ دندهٔ بزرگ به اندازهٔ یک دنده می چرخد، چرخ دندهٔ کوچک نیز یک دنده می چرخد.پس وقتی چرخ بزرگ که دارای 36 دنده است، یک دور کامل می چرخد، چرخ کوچک که دارای 12 دنده است، 3 36 دنده (. بدیهی است اگر چرخ دندهٔ کوچک 12 دنده = دورمی چرخد )دور 3 سبب چرخش چرخ دندهٔ بزرگ شود، به ازای هر سه بار چرخیدن آن، چرخ دندهٔ بزرگ یک بار می چرخد. یعنی سرعت چرخش چرخ دندهٔ کوچک بیشتر از سرعت چرخش چرخ دندهٔ بزرگ است.

این تبدیل ها در صنعت کاربردهای فراوانی دارد. از چرخ دنده ها م یتوان برای تغییر سرعت چرخش، تغییر گشتاور یا تغییر جهت نیرو استفاده کرد؛ مثلاً در خودروها چرخ دنده ها با تغییر سرعت چرخشی سبب تغییر سرعت خودرو می شوند.

سطح شیبدار: فرض کنید می خواهیم اسباب کشی کنیم.می دانیم که جاب هجا کردن وسایل سنگین مانند یخچال و گذاشتن آنها داخل کامیون حمل بار، بسیار سخت است؛ زیرا برای این کار باید نیرویی هم اندازه با وزن یخچال رو به بالا به آن وارد کنیم. به نظر شما ساد هترین روش برای انجام این کار چیست؟ شکل 17 نشان می دهدکه چگونه می توانیم برای جاب هجا کردن اجسام سنگین از سطح شیبدار استفاده کنیم. سطح شیبدار یک ماشین ساده است که از قدیم از آن استفاده می شده است.
سطح شيبدار به ما کمک مي کند تا با نيروي کمتر؛ اما در مسافتي طولاني تر، جسم سنگين را به سمت بالا حرکت دهيم. وقتي از سطح شيبدار استفاده مي کنيم، نيروي محرک، کاهش پيدا مي کند؛ اما مسافتي که بايد طي شود تا جسم بالا برده شود، افزايش پيدا مي کند. به عنوان مثال اگر فردي با صندلي 1 بالا برود، م يتواند از يک سطح شيبدار 10 متري استفاده کند. بنابراين m چرخ دار بخواهد به اندازه. 1 برابر مي شود )البته با صرف نظر کردن از اصطکاک(. در اين حالت نيروي لازم براي بالا رفتن 10 1 نيروي مقاوم که وزن فرد و صندلي چرخ دار است، مي شود؛ با استفاده از يعني نيروي محرک لازم 10 تعريف مزيت مکانيکي، مزيت اين سطح شيبدار برابر است با: