در ماشینهای ساده، تکیهگاه در اهرم نوع دوم (مانند فرغون و فندقشکن) و همچنین در یک حالت خاص از اهرم نوع اول (مانند انبردست و میخکش) به نیروی مقاوم نزدیک است تا با افزایش بازوی محرک، نیرو چندین برابر شود.
در کتاب علوم تجربی، ماشینهای ساده بر اساس محل قرارگیری سه جزء اصلی یعنی تکیهگاه، نیروی محرک (دست ما) و نیروی مقاوم (بار یا جسم) به دستههای مختلفی تقسیم میشوند. بررسی دقیق این اجزا به ما کمک میکند تا بدانیم هر ابزار چگونه کاربری ما را تسهیل میکند.
پاسخ دقیق به این سوال که در کدام ماشین تکیهگاه به نیروی مقاوم نزدیکتر است، ما را مستقیماً به سمت اهرم نوع دوم و حالت خاصی از اهرم نوع اول هدایت میکند. در اهرم نوع دوم، جسم یا همان نیروی مقاوم همیشه در وسط، یعنی بین تکیهگاه و نیروی محرک قرار دارد؛ به همین دلیل، فاصله بار تا تکیهگاه همواره کمتر از فاصله نیروی محرک تا تکیهگاه است.
در اهرم نوع اول نیز تکیهگاه در وسط قرار دارد، اما از آنجا که تکیهگاه در این نوع اهرم قابلیت جابهجایی دارد، هرگاه آن را به سمت جسم (نیروی مقاوم) نزدیک کنیم، بازوی مقاوم کوچک شده و ماشین با افزایش شدید نیرو به ما کمک میکند.
بررسی اهرم نوع دوم (بار در وسط)
در اهرم نوع دوم، تکیهگاه در یک انتها قرار گرفته و نیروی محرک در انتهای دیگر اعمال میشود، در نتیجه جسم در فضای میانی این دو جای میگیرد. این ساختار مهندسی ساده به گونهای طراحی شده است که بیشترین بازدهی را برای جابهجایی بارهای سنگین ایجاد کند.
این آرایش ساختاری باعث میشود که طول بازوی محرک (فاصله نیرو تا تکیهگاه) همیشه بزرگتر از طول بازوی مقاوم (فاصله جسم تا تکیهگاه) باشد. طبق قوانین فیزیک و گشتاور، هرگاه بازوی محرک بزرگتر از بازوی مقاوم باشد، ماشین از طریق افزایش نیرو به انسان کمک میکند تا کارهای سنگین را با توان کمتری انجام دهد.
نکته مهم: در تمامی ماشینهایی که تکیهگاه به نیروی مقاوم نزدیکتر است، ما با افزایش نیرو سروکار داریم. این یعنی ابزار به ما قدرت بیشتری میدهد اما در عوض مسافت جابهجایی و سرعت حرکت بار کاهش مییابد.
مثال های کاربردی اهرم نوع دوم در زندگی و کتاب علوم
برای درک بهتر این مفاهیم علمی، بررسی مصادیق عینی و ابزارهایی که روزانه با آنها سروکار داریم بسیار مفید است. این ابزارها همگی بر پایه چیدمان اهرم نوع دوم طراحی شدهاند:
- ۱ فرغون یا چرخدستی: چرخ جلو حکم تکیهگاه را دارد، بار در وسط قرار میگیرد و دستهها محل اعمال نیروی محرک هستند.
- ۲ فندقشکن: لولای انتهای آن تکیهگاه بوده، فندق در وسط قرار میگیرد و دستههای آن با نیروی دست فشرده میشوند.
- ۳ دربازکن بطری: لبهای که روی درب بطری تکیه میکند نقطه اتکا است و بخش میانی، درب را به سمت بالا میکشد.
حالت خاص اهرم نوع اول (تکیه گاه در وسط و نزدیک به بار)
اهرم نوع اول دارای سه حالت مختلف است، زیرا تکیهگاه میتواند در وسط حرکت کند و به هر یک از دو طرف نزدیک شود. این انعطافپذیری باعث شده تا در ابزارهای متفاوتی از این حالت استفاده شود.
هنگامی که در ابزارهایی مانند انبردست، قیچی آهنبر یا میخکش، تکیهگاه را عمداً به نیروی مقاوم (جسم) نزدیک میکنند، هدف اصلی چند برابر کردن قدرت دست است. در این حالت با کوچک شدن بازوی مقاوم، مزیت مکانیکی ابزار به شدت بالا میرود و به راحتی میتوان اجسام سخت را برید یا میخ را از چوب بیرون کشید.
یک معیار ساده: هرگاه دیدید دستههای یک ابزار (محل دست شما) بسیار بلندتر از لبههای کارگیر آن (محل قرارگیری جسم) است، مطمئن باشید تکیهگاه به نیروی مقاوم نزدیک شده تا قدرت شما افزایش یابد.
رابطه گشتاور و فرمول مزیت مکانیکی
فرمول تعادل در اهرمها به صورت ضرب نیرو در بازو تعریف میشود که نشاندهنده برابری گشتاورها در حالت تعادل است. این اصل علمی پایه و اساس محاسبات در مبحث ماشین های ساده علوم هفتم و فیزیک دبیرستان است.
فرمول اصلی مزیت مکانیکی از تقسیم طول بازوی محرک بر طول بازوی مقاوم به دست میآید که رابطهای مستقیم با تغییرات نیرو دارد. نزدیک شدن تکیهگاه به نیروی مقاوم باعث کوچک شدن مخرج این کسر (بازوی مقاوم) میشود که نتیجه آن، بزرگتر شدن مزیت مکانیکی از عدد یک است.
جمعبندی ساختار اهرمها
جواب پیشنهادی: در پاسخ به سوالات امتحانی، ماشینهایی که در آنها تکیهگاه به بار نزدیک است شامل اهرم نوع دوم به صورت همیشگی و اهرم نوع اول (حالت اول) به صورت شرطی هستند که وظیفه اصلی هر دوی آنها صرفهجویی در نیروی محرک و افزایش قدرت کاربری است.
پرسش های متداول کاربران
چرا در اهرم نوع دوم جهت نیرو تغییر نمیکند؟
چون تکیهگاه در یک انتها قرار دارد و هنگامی که ما نیروی محرک را به سمت بالا وارد میکنیم، جسم یا همان نیروی مقاوم نیز در همان جهت به سمت بالا حرکت میکند.
حرکت پا روی پنجه در بدن انسان کدام نوع اهرم است؟
این حرکت نمونهای از اهرم نوع دوم در بیومکانیک بدن است؛ مفاصل انگشتان پا تکیهگاه هستند، وزن بدن در وسط قرار دارد و ماهیچههای پشت ساق پا نیروی محرک را وارد میکنند.
چه رابطهای بین مسافت جابهجایی و نزدیک شدن تکیهگاه به بار وجود دارد؟
طبق قانون پایستگی انرژی، وقتی تکیهگاه به بار نزدیک میشود و نیرو افزایش مییابد، در مقابل مسافت جابهجایی بار کم میشود و ما باید دست خود را مسافت بیشتری حرکت دهیم.
نظرات