tools

ماشین چیست؟

اصلاً برای انجام هر کاری - بلند کردن جعبه، هل دادن ماشین، بلند شدن از رختخواب، پریدن در هوا، مسواک زدن - باید از یک عمل هل دادن یا کشیدن به نام نیرو استفاده کنید. اگر به مردم بگویید قوی هستید، منظورتان این است که بدن شما می تواند نیروی زیادی را اعمال کند. ممکن است افراد فوق‌العاده قوی را در تلویزیون تماشا کرده باشید که با دست خالی کامیون یا قطار را می‌کشند، اما محدودیتی برای کاری که حتی عضله‌دارترین بدن انسان می‌تواند انجام دهد وجود دارد. ماشین های ساده به ما اجازه می دهند از این حد فراتر برویم. ماشین های ساده می توانند همه ما را قوی کنند!

وقتی کلمه "ماشین" را می شنوید، احتمالا چیزی مانند بولدوزر یا لوکوموتیو بخار به ذهنتان می رسد. اما در علم، ماشین هر چیزی است که یک نیرو را بزرگتر کند. بنابراین چکش یک ماشین است. چاقو و چنگال یک جفت ماشین هستند. و حتی یک همزن تخم مرغ یک ماشین است. همه این ماشین‌ها یک چیز مشترک دارند: وقتی نیرویی به آن‌ها وارد می‌کنید، اندازه آن را افزایش می‌دهند و نیروی بیشتری را در جایی دیگر اعمال می‌کنند. شما نمی توانید گوشت را به تنهایی با دست خود برش دهید، اما اگر چاقو را فشار دهید، دسته بلند و تیغه تیز شده نیرویی را که با دست خود وارد می کنید، افزایش می دهد - و گوشت بدون زحمت برش می خورد. وقتی میخ را با چکش می کوبید، دسته نیرویی را که وارد می کنید افزایش می دهد. و از آنجایی که سر چکش بزرگتر از سر میخ است، نیرویی که وارد می‌کنید با فشار بسیار بیشتری روی ناحیه کوچک‌تری وارد می‌شود و میخ به راحتی وارد چوب می‌شود. سعی کنید با انگشت خود یک میخ را فشار دهید و از مزیتی که چکش به شما می دهد قدردانی خواهید کرد.

پنج نوع اصلی ماشین ساده وجود دارد: اهرم‌ها، چرخ‌ها و محورها (که یک عدد محسوب می‌شوند)، قرقره‌ها، رمپ‌ها و گوه‌ها (که به‌عنوان یکی نیز محسوب می‌شوند) و پیچ‌ها. بیایید دقیق تر به آنها نگاه کنیم.

اهرم ها

یک اهرم ساده‌ترین ماشین از همه است: فقط یک میله بلند است که به شما کمک می‌کند وقتی آن را می‌چرخانید نیروی بیشتری اعمال کنید. وقتی روی یک اره می‌نشینید، احتمالاً متوجه شده‌اید که اگر فردی که در سمت مقابل قرار دارد از شما سنگین‌تر است، باید بیشتر از نقطه تعادل (که به عنوان نقطه محوری یا تکیه‌گاه شناخته می‌شود) بنشینید. هر چه دورتر از نقطه تکیه گاه بنشینید، بیشتر می توانید نیروی وزن خود را چند برابر کنید. اگر فاصله زیادی از تکیه گاه بنشینید، حتی می توانید فرد سنگین تری را که در انتهای دیگر نشسته است بلند کنید، به شرطی که خیلی نزدیک به تکیه گاه بنشیند. نیرویی که با وزن خود وارد می کنید، تلاش نامیده می شود. به لطف تکیه گاه، نیروی بیشتری برای بلند کردن بار (وزن شخص مقابل) تولید می کند. کلمات "تلاش" و "بار" می توانند بسیار گیج کننده باشند، بنابراین در این مقاله از استفاده از آنها خودداری کرده ایم. نکته مهمی که در مورد اهرم ها باید به خاطر بسپارید این است که نیرویی که تولید می کنید بزرگتر از نیرویی است که اعمال می کنید:

با یک اهرم بلند می توانید اهرم زیادی اعمال کنید. هنگامی که از تبر یا آچار استفاده می کنید، دسته بلند به بزرگنمایی نیرویی که می توانید اعمال کنید کمک می کند. هرچه دسته بلندتر باشد، اهرم بیشتری به دست می آورید. بنابراین استفاده از آچار دسته بلند همیشه راحت تر از آچار دسته کوتاه است. و اگر نمی توانید مهره یا پیچ را با آچار کوتاه تکان دهید، یکی را با دسته بلندتر امتحان کنید.

چرخ و محور

اختراع چرخ و اکسل (میله ای که چرخ به دور آن می چرخد)، حدود 5500 سال پیش در خاورمیانه، حمل و نقل را متحول کرد و به تدریج تغییرات عظیمی را در جامعه ایجاد کرد، اما چه چیزی آن را تا این حد خاص کرد؟ هل دادن گاری پر از جعبه سنگین آسان تر از فشار دادن همان جعبه در امتداد زمین است زیرا چرخ ها و محورهای گاری اصطکاک را کاهش می دهند و اهرمی را فراهم می کنند. در مقاله اصلی ما در مورد نحوه کار چرخ ها می توانید نحوه کار را بیابید.

از چرخ های بزرگ برای ضرب نیرو به روش های دیگر نیز استفاده می شود. برای مثال، لوله‌ها دارای چرخ‌هایی هستند که به آن‌ها (یا شیرهای توقف) می‌گویند. هنگامی که لبه بیرونی میله را می‌چرخانید، محور داخلی با نیروی بسیار بیشتری می‌چرخد، بنابراین لوله راحت‌تر بسته می‌شود. چرخ های فرمان نیز به این صورت عمل می کنند. یک کامیون یا اتوبوس اغلب دارای فرمان بزرگتر از ماشین است، زیرا چرخاندن چرخ ها به نیروی بیشتری نیاز دارد. چرخ بزرگتر به راننده اهرم بیشتری می دهد.

چرخ ها می توانند مسافت و سرعت و همچنین نیرو را چند برابر کنند. دوچرخه‌ها چرخ‌های بزرگی دارند بنابراین سریع‌تر حرکت می‌کنند. وقتی رکاب می زنید، داخل چرخ را نیرو می دهید. اما لبه بیرونی چرخ سریعتر می چرخد ​​و زمین بیشتری را می پوشاند، بنابراین رکاب زدن شما تاثیر بسیار بیشتری دارد. چرخ های ماشین نیز به همین ترتیب کار می کنند.

چرخ‌ها چرخ‌ها و اهرم‌ها را با هم ترکیب می‌کنند تا جلوه‌ای درخشان داشته باشند. چرخ دستی به دو دلیل حمل بار را از مکانی به مکان دیگر بسیار آسان می کند. اولاً، قاب بلند آن مانند یک اهرم عمل می کند، بنابراین حمل بار بسیار آسان تر است. دوم، فشار دادن بار با استفاده از چرخ دستی آسان تر است زیرا تنها اصطکاک بین چرخ و محور است. اگر بدون استفاده از چرخ دستی، بار را روی سطح ناهموار زمین فشار دهید، اصطکاک بسیار بیشتر خواهد بود.

چرخ دنده ها

گیربکس ساده

چرخ دنده ها چرخ هایی با دندانه هستند که می توانند سرعت ماشین یا نیروی آن را افزایش دهند، اما نه هر دو را همزمان. دوچرخه ها به هر دو صورت از دنده استفاده می کنند. اگر می‌خواهید از یک تپه رکاب بزنید، از دنده‌ها برای افزایش نیروی خود استفاده می‌کنید تا مجبور نباشید خیلی سخت کار کنید، اگرچه نکته مهم این است که سرعت شما را در همان زمان کاهش می‌دهند. اگر در یک جاده مستقیم مسابقه می دهید، می توانید از دنده ها برای افزایش سرعت خود استفاده کنید، اما این بار نکته مهم این است که آنها نیروی شما را کاهش می دهند. اگرچه فقط با نگاه کردن به آنها مشخص نیست، اما چرخ دنده ها دقیقاً مانند اهرم ها کار می کنند (درست مانند چرخ ها). این نیاز به توضیح کمی دارد، بنابراین ما در اینجا به جزئیات بیشتری نمی پردازیم. در عوض، می توانید همه چیز را در مقاله چرخ دنده های ما بخوانید.

قرقره ها

دو یا چند چرخ را کنار هم قرار دهید و چندین بار طناب را دور آنها حلقه کنید و یک دستگاه بالابر قدرتمند به نام قرقره ایجاد می کنید. هر بار که طناب به دور چرخ‌ها می‌پیچد، قدرت بالابری یا مزیت مکانیکی بیشتری ایجاد می‌کنید. اگر چهار چرخ وجود داشته باشد و طناب به دور آنها بپیچد، قرقره طوری کار می کند که انگار چهار طناب بار را تحمل می کنند. بنابراین شما می توانید چهار برابر آن را بلند کنید، اگرچه نکته این است که باید طناب را چهار بار جلوتر بکشید. در مقاله قرقره های ما بیشتر بخوانید.

رمپ و گوه

اگر تا به حال به بیرون کشیدن یک قایق از دریا کمک کرده باشید، می‌دانید که اگر یک سطح شیبدار در ساحل وجود داشته باشد، انجام این کار آسان‌تر است. به جای اینکه قایق را به صورت عمودی و مستقیم به سمت بالا بلند کنید، اگر از سطح شیب دار بالا بروید، می توانید آن را با نیروی بسیار کمتری از دریا خارج کنید. شما از نیروی کمتری استفاده می کنید، اما باید قایق را به فاصله طولانی تری بکشید—بنابراین در هر مورد از انرژی یکسانی استفاده می کنید. تپه‌نوردان گاهی از ایده رمپ برای رسیدن به بالای یک صعود شیب دار استفاده می‌کنند. آنها با زیگ زاگ کردن از یک سمت به سمت دیگر در طول صعود خود، به طور موثر سطح شیب دار خود را ایجاد می کنند. تپه شیب کمتری دارد، اما برای رسیدن به بالای آن باید کمی بیشتر راه بروند.

رمپ ها گاهی اوقات به عنوان هواپیماهای شیبدار یا گوه شناخته می شوند. سر تبر گوه ای است که به شیوه ای متفاوت کار می کند. تبر چوب را به دو صورت جدا می کند. دسته مانند یک اهرم عمل می کند و نیرویی را که اعمال می کنید بزرگ می کند. تیغه گوه ای شکل، نیرو را در ناحیه کوچکتری متمرکز می کند و فشار روی چوب را افزایش می دهد و آن را از هم جدا می کند. تیغه چاقو نیز به همین صورت عمل می کند.

پیچ

تصویری از پیچ چوبی که روی سرش ایستاده و رو به بالا است

وقتی چوب را می چرخانید یک پیچ به چوب گاز می زند. شما اغلب کتاب های علمی می خوانید که می گویند یک پیچ «مثل یک سطح شیب دار در یک دایره پیچیده شده است» که بسیار گیج کننده و درک آن سخت است. اما تصور کنید که یک مورچه هستید و می خواهید از پایین یک پیچ به سمت بالا بالا بروید. اگر از بیرون به صورت عمودی بالا بروید، مسافت نسبتاً کوتاهی را طی می کنید، اما نیروی بالا رفتن بسیار زیادی لازم است. اگر از رزوه پیچ بالا بروید و به دور و اطراف بپیچید، واقعاً از نوعی پله مارپیچ بالا می روید - یک سطح شیب دار که به صورت دایره ای پیچیده شده است. بله، شما خیلی بیشتر راه می روید، اما خیلی راحت تر است. یک چیز خوب دیگر نیز در مورد پیچ ​​وجود دارد: چون سر از شفت زیر آن بزرگتر است، پیچ مانند چرخ (یا اهرم) عمل می کند: هر بار که سر را می چرخانید، نقطه تیز زیر با نیروی بیشتری به چوب می خورد. طراحی مخروطی (مخروطی شکل) رانندگی در پیچ را آسان تر می کند.

ماشین ها در اطراف ما هستند!

این تقریباً تمام چیزی است که در علم ماشین های ساده وجود دارد. وقتی متوجه شدید که ماشین‌ها چگونه کار می‌کنند، شروع به دیدن آن‌ها در همه جا می‌کنید. حتی بدن شما مملو از ماشین آلات است. اسکلت شما مثلاً مجموعه ای از اهرم هاست! به اطراف خانه خود نگاهی بیندازید و ببینید چند "ماشین ساده" دیگر می توانید پیدا کنید. تعجب خواهید کرد که تعداد آنها چقدر است!

آیا صید وجود دارد؟

بلند کردن، بریدن، بریدن، حرکت دادن، خم شدن - ماشین‌هایی مانند ماشین‌هایی که در بالا بررسی کردیم، انجام انواع کارها را با بزرگ‌تر کردن نیروهایی که معمولاً می‌توانید با بدن خود ایجاد کنید، آسان‌تر می‌کنند. در نگاه اول، به نظر می رسد که ممکن است راه را برای طراحی ماشینی باز کند که بتواند چیزی را بدون هیچ چیز به ما بدهد - شاید ماشینی که بتواند از هوای رقیق انرژی بسازد، یا ماشینی با حرکت دائمی که برای همیشه کار می کند.

در عمل، قوانین فیزیک سخت‌گیرانه هستند و اگر از یک جهت زندگی را برای خود آسان‌تر کنید، همیشه جبران آن را سخت‌تر می‌کنید. این روش دانشمند برای گفتن "چیزی به نام ناهار رایگان وجود ندارد" است، و در فیزیک، نام آن قانون بقای انرژی است (به زبان ساده: ما نمی توانیم انرژی را به شکلی جادویی از ناکجاآباد نمایان کنیم) . بنابراین هر زمان که ماشینی دارید که به شما نیروی بیشتری می دهد، انرژی اضافی که قبلاً نداشتید به شما نمی دهد. برای مثال، با یک قرقره، طناب‌ها و چرخ‌ها نیروی بالابری بسیار بیشتری به شما می‌دهند، اما باید آنها را بسیار بیشتر کنید، بنابراین دقیقاً همان مقدار انرژی را مصرف می‌کنید که قبلاً انجام می‌دادید. شما فقط آهسته تر و با تلاش کمتر از آن استفاده می کنید، بنابراین بلند کردن راحت تر می شود. به همین ترتیب، می‌توانید با نشستن دورتر از نقطه تعادل، دوستی بسیار سنگین‌تر را بلندتر کنید، اما برای جبران آن باید پاهای خود را خیلی بیشتر حرکت دهید. شما نیروی اضافی دریافت می‌کنید، اما انرژی اضافی دریافت نمی‌کنید - و این همان موضوع است.

ابزار مکانیکی از جمله مولتی پلایر و آچار بکس قابل خریداری از سایت ابزار ماشین