ماشین‌های ساده دستگاه‌هایی هستند که با اجازه دادن به ما برای اعمال نیرو در فواصل بیشتر یا با تقویت نیرو، کار را آسان‌تر می‌کنند. آنها بلوک های ساختمانی اساسی ماشین های پیچیده تر هستند و عمیقاً در مطالعه حرکت در فیزیک ادغام شده اند. این درس بر روی شش ماشین ساده کلاسیک متمرکز است: اهرم، چرخ و محور، قرقره، صفحه شیبدار، پیچ و گوه، و بررسی می کند که چگونه حرکت و نیرو را برای انجام کار تغییر می دهند.
قبل از پرداختن به ویژگی‌های ماشین‌های ساده، درک مفهوم کار ضروری است. کار، در فیزیک، به عنوان نیروی وارد شده به یک جسم ضربدر فاصله ای که در آن اعمال می شود، تعریف می شود. از نظر ریاضی به صورت زیر بیان می شود:
\( W = F \times d \)که در آن \(W\) کار، \(F\) نیروی اعمال شده و \(d\) فاصله است. ماشین‌های ساده یا نیروی اعمال‌شده یا فاصله‌ای که نیرو روی آن اعمال می‌شود، تغییر می‌دهند و نحوه انجام کار را بدون تغییر در کل مقدار کار تغییر می‌دهند.
اهرم یک میله صلب است که حول نقطه ثابتی به نام تکیه گاه می چرخد. این بر اساس اصل ممان ها کار می کند، جایی که گشتاور (گشتاور) در یک طرف تکیه گاه با لحظه در طرف دیگر متعادل می شود. ممان حاصل ضرب نیروی اعمال شده و فاصله از نقطه تکیه گاه است و با:
\( \textrm{لحظه} = F \times d \)اهرم ها بسته به موقعیت نسبی نیروی اعمال شده، تکیه گاه و بار به سه نوع طبقه بندی می شوند. الاکلنگ یک نمونه کلاسیک از اهرم های درجه یک است که در آن نقطه تکیه گاه بین نیرو و بار قرار دارد.
چرخ و محور از یک چرخ با قطر بزرگتر تشکیل شده است که به یک محور با قطر کمتر متصل است. چرخاندن چرخ (یا محور) باعث می شود که قسمت دیگر حرکت کند و به طور موثر نیرو یا سرعت را تقویت کند. مزیت مکانیکی، که عاملی است که یک ماشین نیروی وارد شده به آن را چند برابر می کند، به شعاع چرخ و محور با توجه به موارد زیر بستگی دارد:
\( \textrm{مزیت مکانیکی} = \frac{\textrm{شعاع چرخ}}{\textrm{شعاع محور}} \)این ماشین ساده در دستگاه‌هایی مانند آسیاب‌های بادی و سیستم‌های فرمان خودرو دیده می‌شود و نشان می‌دهد که چگونه حرکت چرخشی با تلاش کمتر تسهیل می‌شود.
قرقره چرخی روی محور است که برای پشتیبانی از حرکت طناب یا کابل طراحی شده است. قرقره ها می توانند جهت نیروی اعمال شده را تغییر دهند و اغلب نیروی مورد نیاز برای بلند کردن بار را کاهش می دهند. یک قرقره ثابت هیچ مزیت مکانیکی ندارد، اما یک سیستم قرقره (بلوک و تکل) می تواند نیروی مورد نیاز برای بلند کردن اجسام سنگین را با توزیع وزن به میزان قابل توجهی کاهش دهد. مزیت مکانیکی یک سیستم قرقره برابر با تعداد بخش های طناب است که بار را تحمل می کنند:
\( \textrm{مزیت مکانیکی} = \textrm{تعداد قطعات طناب پشتیبان} \)صفحه شیبدار سطح صافی است که با زاویه ای نسبت به افقی کج شده است. این اجازه می دهد تا با پخش کار در مسافت طولانی تر، بار را راحت تر بلند کنید. هرچه صفحه شیبدار بلندتر باشد، نیروی کمتری برای بالا بردن یک جسم تا ارتفاع معین لازم است. مزیت مکانیکی یک صفحه شیبدار با موارد زیر تعیین می شود:
\( \textrm{مزیت مکانیکی} = \frac{\textrm{طول شیب}}{\textrm{ارتفاع شیب}} \)این اصل در رمپ ها و سرسره ها اعمال می شود و کارهایی مانند بارگیری کالا در کامیون ها یا جابجایی اثاثیه سنگین را ساده می کند.
پیچ در اصل یک صفحه شیبدار است که به دور یک استوانه پیچیده شده و حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می کند. هنگامی که یک پیچ چرخانده می شود، رزوه ها نیروی دورانی را به نیروی خطی عمود بر پیچ تبدیل می کنند و به این ترتیب اجسام را به سمت هم بلند می کنند یا می کشند. مزیت مکانیکی یک پیچ به فاصله رزوه های آن بستگی دارد:
\( \textrm{مزیت مکانیکی} = \frac{2\pi \times \textrm{شعاع پیچ}}{\textrm{گام صدا}} \)جایی که گام فاصله بین رشته های مجاور است.
گوه وسیله ای است که از دو صفحه شیبدار تشکیل شده است. نیروی وارد شده به انتهای پهن خود را به نیروهای عمود بر سطوح شیب دار تبدیل می کند. هرچه گوه تیزتر باشد (زاویه بین سطوح شیبدار آن کوچکتر)، نیرویی که به صورت عمود بر آن وارد می کند بیشتر است. این دستگاه ساده به طور گسترده در برش و شکافتن اشیاء مانند چاقو و تبر استفاده می شود.
ماشین‌های ساده نقش مهمی در زندگی روزمره ما دارند و با تغییر حرکت و نیرو، کارها را آسان‌تر می‌کنند. درک این اصول اولیه مکانیکی، زمینه را برای کاوش در ماشین آلات پیچیده تر و عمیق تر شدن در علم فیزیک فراهم می کند. با یادگیری نحوه کار ماشین‌های ساده، بینش‌هایی در مورد عملیات اساسی دنیای اطراف و اصول مهندسی که زندگی مدرن را ممکن می‌سازد، به دست می‌آوریم.
