منذ العصور القديمة ، سعت البشرية بأي وسيلة لتسهيل عملهم البدني. أصبحت الآليات البسيطة وسيلة لحل هذه المشكلة. تتناول هذه المقالة الاختراعات مثل الرافعة والكتل ، وكذلك نظام الروافع والكتل.
ما هي الرافعة المالية ومتى تم استخدامها؟
ربما كان الجميع على دراية بهذه الآلية البسيطة منذ الطفولة. في الفيزياء ، الرافعة عبارة عن مزيج من شعاع (قضيب ، لوح) ودعم واحد. يعمل كرافعة لرفع الأثقال أو لإيصال السرعة إلى الأجسام. اعتمادًا على موضع الدعم الموجود أسفل العارضة ، يمكن أن تؤدي الرافعة إلى زيادة القوة أو في حركة الأحمال. يجب أن يقال أن الرافعة لا تؤدي إلى تقليل العمل ككمية مادية ، فهي تسمح لك فقط بإعادة توزيع تنفيذه بطريقة مريحة.
يستخدم الرجل الرافعة المالية لفترة طويلة. لذلك ، هناك دليل على أنه استخدم من قبل قدماء المصريين في بناء الأهرامات. يعود أول وصف رياضي لتأثير الرافعة إلى القرن الثالث قبل الميلاد وينتمي إلى أرخميدس. شرح حديث لمبدأ تشغيل هذه الآلية يشملنشأ مفهوم لحظة القوة فقط في القرن السابع عشر ، أثناء تشكيل ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية.
قاعدة رافعة
كيف تعمل الرافعة؟ الجواب على هذا السؤال وارد في مفهوم لحظة القوة. تسمى هذه القيمة الأخيرة ، والتي يتم الحصول عليها نتيجة ضرب ذراع القوة بمعاملها ، أي:
M=Fد
ذراع القوة d هي المسافة من نقطة ارتكاز إلى نقطة تطبيق القوة F.
عندما تؤدي الرافعة وظيفتها ، هناك ثلاث قوى مختلفة تعمل عليها:
- قوة خارجية مطبقة ، على سبيل المثال ، من قبل شخص ؛
- وزن الحمولة التي يسعى الإنسان لتحريكها برافعة ؛
- رد فعل للدعم المؤثر من جانب الدعم إلى شعاع الرافعة.
رد فعل الدعم يوازن القوتين الأخريين ، لذلك لا تتحرك الرافعة للأمام في الفضاء. لكي لا تؤدي أيضًا حركة دورانية ، من الضروري أن يكون مجموع كل لحظات القوى مساويًا للصفر. يتم دائمًا قياس لحظة القوة بالنسبة إلى بعض المحاور. في هذه الحالة ، هذا المحور هو نقطة ارتكاز. مع هذا الاختيار للمحور ، سيكون كتف عمل قوة رد الفعل للدعم مساويًا للصفر ، أي أن هذه القوة تخلق لحظة صفرية. يوضح الشكل أدناه رافعة نموذجية من النوع الأول. تشير الأسهم إلى القوة الخارجية F ووزن الحمولة R.
اكتب مجموع اللحظات لهذه القوى ، لدينا:
RدR+ (-FدF)=0
المساواة إلى الصفر في مجموع اللحظات تضمن عدم دوران ذراع الرافعة. الوقت الحاضرتؤخذ القوة F بعلامة سالبة لأن هذه القوة تميل إلى تدوير الرافعة في اتجاه عقارب الساعة ، بينما تميل القوة R إلى جعل هذا الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة.
إعادة كتابة هذا التعبير في الأشكال التالية ، نحصل على شروط التوازن للرافعة:
RدR=FدF؛
دR/ دF=F / R
حصلنا على المساواة المكتوبة باستخدام مفهوم لحظة القوة. في القرن الثالث قبل الميلاد. ه. لم يعرف الفلاسفة اليونانيون عن هذا المفهوم الفيزيائي ، ومع ذلك ، أنشأ أرخميدس علاقة عكسية بين نسبة القوى المؤثرة على ذراعي الرافعة وطول هذه الأذرع نتيجة الملاحظات التجريبية.
تظهر المساواة المسجلة أن انخفاض طول الذراع dRيساهم في ظهور إمكانية رفع الأوزان الكبيرة بمساعدة قوة صغيرة F و a ذراع طويل دFR البضائع.
ما هي الكتلة في الفيزياء؟
الكتلة هي آلية أخرى بسيطة ، وهي عبارة عن أسطوانة مستديرة ذات أخدود على طول محيط السطح الأسطواني. يعمل الثلم على تأمين الحبل أو السلسلة. الكتلة لها محور دوران. يوضح الشكل مثالاً للكتلة التي توضح كيفية عملها.
تسمى هذه الكتلة ثابتة. إنه لا يعطي قوة بل يسمح لك بتغيير اتجاهه
بجانب الكتلة الثابتة ، هناك كتلة متحركة. يتم عرض نظام الكتلة المتحركة والثابتة أدناه.
إذا تم تطبيق قاعدة اللحظات على هذا النظام ، فإننا نحصل عليهاكسب القوة مرتين ، لكن في نفس الوقت نفقد نفس المقدار في الطريق (في الشكل F=60 N).
نظام الروافع والكتل
كما هو مذكور في الفقرات السابقة ، يمكن استخدام الرافعة المالية لكسب المسار أو القوة ، بينما تسمح لك الكتلة باكتساب القوة وتغيير اتجاه عملها. تُستخدم خصائص الآليات البسيطة المدروسة في أنظمة الروافع والكتل. في هذه الأنظمة ، يأخذ كل عنصر بعض القوة وينقلها إلى عناصر أخرى حتى نحصل على القوة الأصلية كناتج.
سهولة تشغيل الرافعة والكتلة ومرونة استخدامها الهيكلي تجعل من الممكن تكوين آليات معقدة من هذه المجموعة.
أمثلة على استخدام أنظمة الآليات البسيطة
في الواقع ، أي آلات تحيط بنا هي أنظمة من الروافع والكتل. إليك أشهر الأمثلة:
- آلة كاتبة ؛
- بيانو ؛
- رافعة ؛
- سقالات قابلة للطي ؛
- أسرة وطاولات قابلة للتعديل ؛
- مجموعة من العظام والمفاصل والعضلات البشرية.
إذا كانت قوة الإدخال في كل من هذه الأنظمة معروفة ، فيمكن حساب قوة الخرج من خلال تطبيق قاعدة الرافعة على التوالي على كل عنصر من عناصر النظام.
