از زمان های قدیم، بشر به هر وسیله ای به دنبال تسهیل کار بدنی خود بوده است. مکانیسم های ساده ابزاری برای حل این مشکل شده اند. این مقاله اختراعاتی مانند اهرم و بلوک و همچنین سیستم اهرم ها و بلوک ها را مورد بحث قرار می دهد.
اهرم چیست و چه زمانی استفاده شد؟
احتمالا همه از دوران کودکی با این مکانیسم ساده آشنا بوده اند. در فیزیک، اهرم ترکیبی از یک تیر (میله، تخته) و یک تکیه گاه است. به عنوان اهرمی برای بلند کردن وزنه یا انتقال سرعت به بدن عمل می کند. بسته به موقعیت تکیه گاه زیر تیر، اهرم می تواند به افزایش نیرو یا در حرکت بارها منجر شود. باید گفت که اهرم به عنوان یک کمیت فیزیکی منجر به کاهش کار نمی شود، فقط به شما امکان می دهد اجرای آن را به روشی راحت توزیع کنید.
انسان برای مدت طولانی از اهرم استفاده می کند. بنابراین، شواهدی وجود دارد که نشان می دهد مصریان باستان از آن در ساخت اهرام استفاده می کردند. اولین توصیف ریاضی اثر اهرم به قرن سوم قبل از میلاد برمی گردد و به ارشمیدس تعلق دارد. توضیح مدرن از اصل عملکرد این مکانیسم شاملمفهوم لحظه نیرو تنها در قرن هفدهم و در جریان شکل گیری مکانیک کلاسیک نیوتن به وجود آمد.
قانون اهرمی
اهرم چگونه کار می کند؟ پاسخ به این سوال در مفهوم لحظه نیرو وجود دارد. دومی چنین مقداری نامیده می شود که در نتیجه ضرب بازوی نیرو در مدول آن به دست می آید، یعنی:
M=Fd
بازوی نیروی d فاصله نقطه تکیه تا نقطه اعمال نیروی F است.
وقتی یک اهرم کار خود را انجام می دهد، سه نیروی مختلف بر روی آن اثر می کنند:
- نیروی خارجی اعمال شده، برای مثال، توسط یک فرد؛
- وزن باری که فرد می خواهد با اهرم جابجا کند؛
- واکنش تکیه گاه که از کنار تکیه گاه به تیر اهرم عمل می کند.
واکنش تکیه گاه دو نیروی دیگر را متعادل می کند، بنابراین اهرم در فضا به جلو حرکت نمی کند. برای اینکه حرکت چرخشی را نیز انجام ندهد، لازم است که مجموع تمام گشتاورهای نیروها برابر با صفر باشد. گشتاور نیرو همیشه نسبت به برخی از محورها اندازه گیری می شود. در این حالت این محور نقطه اتکا است. با این انتخاب محور، شانه عمل نیروی واکنش تکیه گاه برابر با صفر خواهد بود، یعنی این نیرو یک گشتاور صفر ایجاد می کند. شکل زیر یک اهرم معمولی از نوع اول را نشان می دهد. فلش ها نیروی خارجی F و وزن بار را نشان می دهند.
مجموع لحظات این نیروها را بنویسید، داریم:
RdR+ (-FdF)=0
برابری به صفر مجموع گشتاورها عدم چرخش بازوهای اهرم را تضمین می کند. لحظهنیروی F با علامت منفی گرفته می شود زیرا این نیرو تمایل دارد اهرم را در جهت عقربه های ساعت بچرخاند، در حالی که نیروی R تمایل دارد این چرخش را در خلاف جهت عقربه های ساعت بچرخاند.
با بازنویسی این عبارت به شکل های زیر، شرایط تعادل اهرم را به دست می آوریم:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
برابری های نوشتاری را با استفاده از مفهوم لحظه نیرو به دست آورده ایم. در قرن سوم قبل از میلاد. ه. فیلسوفان یونانی از این مفهوم فیزیکی اطلاعی نداشتند، با این وجود، ارشمیدس در نتیجه مشاهدات تجربی یک رابطه معکوس بین نسبت نیروهای وارد بر بازوهای اهرم و طول این بازوها برقرار کرد.
برابری های ثبت شده نشان می دهد که کاهش طول بازو dR به ظهور امکان بلند کردن وزنه های بزرگ با کمک نیروی کوچک F و a کمک می کند. بازوی بلند dF محموله R.
بلاک در فیزیک چیست؟
بلوک مکانیسم ساده دیگری است که یک استوانه گرد با شیار در امتداد محیط سطح استوانه ای است. شیار برای محکم کردن طناب یا زنجیر عمل می کند. بلوک دارای یک محور چرخش است. شکل نمونه ای از یک بلوک را نشان می دهد که نحوه عملکرد آن را نشان می دهد.
این بلوک ثابت نامیده می شود. افزایش قدرت نمی دهد، اما به شما امکان می دهد جهت خود را تغییر دهید.
علاوه بر بلوک ثابت، یک بلوک متحرک نیز وجود دارد. سیستم بلوک متحرک و ثابت در زیر نشان داده شده است.
اگر قاعده لحظه ها در این سیستم اعمال شود، آنگاه می گیریمافزایش قدرت دو برابر است، اما در همان زمان ما همان مقدار را در راه از دست می دهیم (در شکل F=60 N).
سیستم اهرم ها و بلوک ها
همانطور که در پاراگراف های قبلی ذکر شد، از اهرم می توان برای به دست آوردن مسیر یا قدرت استفاده کرد، در حالی که بلوک به شما امکان می دهد قدرت به دست آورید و جهت عمل آن را تغییر دهید. این ویژگی های مکانیسم های ساده در نظر گرفته شده در سیستم های اهرم ها و بلوک ها استفاده می شود. در این سیستم ها هر عنصر مقداری نیرو می گیرد و به عناصر دیگر منتقل می کند تا نیروی اصلی را به عنوان خروجی بدست آوریم.
سهولت عملکرد اهرم و بلوک و انعطاف پذیری استفاده از ساختار آنها، ساختن مکانیسم های پیچیده ای را از چنین ترکیبی ممکن می سازد.
نمونه هایی از استفاده از سیستم های مکانیسم های ساده
در واقع، هر ماشینی که ما را احاطه کرده است، سیستم هایی از اهرم ها و بلوک ها است. در اینجا معروف ترین نمونه ها آمده است:
- ماشین تحریر;
- پیانو;
- جرثقیل;
- داربست تاشو;
- تخت و میز قابل تنظیم؛
- مجموعه ای از استخوان ها، مفاصل و ماهیچه های انسان.
اگر نیروی ورودی در هر یک از این سیستم ها مشخص باشد، می توان نیروی خروجی را با اعمال متوالی قانون اهرم برای هر عنصر از سیستم محاسبه کرد.
