الآلات البسيطة هي الأجهزة التي تجعل العمل أسهل من خلال السماح لنا بممارسة القوة على مسافات أكبر أو عن طريق تضخيم القوة. إنها اللبنات الأساسية للآلات الأكثر تعقيدًا، وهي مدمجة بعمق في دراسة الحركة في الفيزياء. يركز هذا الدرس على الآلات البسيطة الكلاسيكية الست: الرافعة، والعجلة والمحور، والبكرة، والمستوى المائل، والمسمار، والإسفين، ويستكشف كيفية تغيير الحركة والقوة لأداء العمل.
قبل الغوص في تفاصيل الآلات البسيطة، من الضروري فهم مفهوم العمل. يتم تعريف الشغل في الفيزياء على أنه القوة المطبقة على جسم ما مضروبة في المسافة التي يتم تطبيقها عليها. رياضيا يتم التعبير عنه على النحو التالي:
\( W = F \times d \)حيث \(W\) هي الشغل، \(F\) هي القوة المطبقة، و \(d\) هي المسافة. تعمل الآلات البسيطة على تغيير القوة المطبقة أو المسافة التي يتم تطبيق القوة عليها، وتغيير كيفية إنجاز العمل دون تغيير إجمالي مقدار العمل.
الرافعة عبارة عن قضيب صلب يدور حول نقطة ثابتة تسمى نقطة الارتكاز. وهو يعمل على مبدأ العزوم، حيث يكون العزم (العزم) على أحد جانبي نقطة الارتكاز متوازنا مع العزم على الجانب الآخر. العزم هو حاصل ضرب القوة المؤثرة في المسافة من نقطة الارتكاز، ويُعطى بالعلاقة التالية:
\( \textrm{لحظة} = F \times d \)يتم تصنيف الروافع إلى ثلاثة أنواع اعتمادًا على المواضع النسبية للقوة المطبقة ونقطة الارتكاز والحمل. الأرجوحة هي مثال كلاسيكي لرافعة من الدرجة الأولى، حيث تكون نقطة ارتكازها بين القوة والحمل.
تتكون العجلة والمحور من عجلة ذات قطر أكبر متصلة بمحور ذو قطر أصغر. يؤدي تدوير العجلة (أو المحور) إلى تحرك الجزء الآخر، مما يؤدي إلى تضخيم القوة أو السرعة بشكل فعال. الميزة الميكانيكية، وهي العامل الذي تضاعف به الآلة القوة الموضوعة فيها، تعتمد على نصف قطر العجلة والمحور وفقًا لما يلي:
\( \textrm{ميزة ميكانيكيه} = \frac{\textrm{نصف قطر العجلة}}{\textrm{نصف قطر المحور}} \)تظهر هذه الآلة البسيطة في أجهزة مثل طواحين الهواء وأنظمة توجيه السيارات، مما يوضح كيفية تسهيل الحركة الدورانية بجهد أقل.
البكرة عبارة عن عجلة على محور مصممة لدعم حركة الحبل أو الكابل. يمكن أن تغير البكرات اتجاه القوة المطبقة، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى تقليل القوة اللازمة لرفع الحمولة. لا توفر بكرة ثابتة واحدة أي فائدة ميكانيكية، ولكن نظام البكرات (الكتلة والمعالجة) يمكن أن يقلل بشكل كبير من القوة اللازمة لرفع الأشياء الثقيلة عن طريق توزيع الوزن. الميزة الميكانيكية لنظام البكرة تساوي عدد مقاطع الحبل التي تدعم الحمل:
\( \textrm{ميزة ميكانيكيه} = \textrm{عدد قطاعات الحبال الداعمة} \)المستوى المائل هو سطح مستو مائل بزاوية إلى الأفقي. فهو يسمح برفع الحمولة بسهولة أكبر عن طريق نشر العمل على مسافة أطول. كلما زاد طول المستوى المائل، قلت القوة اللازمة لرفع الجسم إلى ارتفاع معين. يتم تحديد الميزة الميكانيكية للمستوى المائل من خلال:
\( \textrm{ميزة ميكانيكيه} = \frac{\textrm{طول المنحدر}}{\textrm{ارتفاع المنحدر}} \)يتم تطبيق هذا المبدأ في المنحدرات والشرائح، مما يبسط المهام مثل تحميل البضائع على الشاحنات أو نقل الأثاث الثقيل.
المسمار هو في الأساس مستوى مائل ملفوف حول أسطوانة، مما يحول الحركة الدورانية إلى حركة خطية. عندما يتم تدوير المسمار، تقوم الخيوط بتحويل قوة الدوران إلى قوة خطية متعامدة مع المسمار، وبالتالي رفع أو سحب الأشياء معًا. تعتمد الميزة الميكانيكية للمسمار على المسافة بين خيوطه:
\( \textrm{ميزة ميكانيكيه} = \frac{2\pi \times \textrm{نصف قطر المسمار}}{\textrm{يقذف}} \)حيث الملعب هو المسافة بين المواضيع المجاورة.
الإسفين هو جهاز يتكون من طائرتين مائلتين. فهو يحول القوة المطبقة على نهايته العريضة إلى قوى متعامدة مع أسطحه المائلة. كلما كان الإسفين أكثر حدة (أصغر الزاوية بين أسطحه المائلة)، زادت القوة التي يمارسها بشكل عمودي. تُستخدم هذه الآلة البسيطة على نطاق واسع في قطع وتقسيم الأشياء، مثل السكاكين والفؤوس.
تلعب الآلات البسيطة دورًا حاسمًا في حياتنا اليومية، مما يجعل المهام أسهل من خلال تعديل الحركة والقوة. إن فهم هذه المبادئ الميكانيكية الأساسية يضع الأساس لاستكشاف آلات أكثر تعقيدًا والتعمق في علم الفيزياء. من خلال التعرف على كيفية عمل الآلات البسيطة، نكتسب نظرة ثاقبة للعمليات الأساسية للعالم من حولنا والمبادئ الهندسية التي تجعل الحياة الحديثة ممكنة.
