ماشین و گشتاور:

ماشین:

به وسایلی مانند اهرم و سطح شیب دار كه انجام دادن كارها را آسان تر می كند ماشین گفته می شود. بعضی ماشین ها ساده اند؛ مثل: قرقره، پیچ گوشتی و غیره. ساختمان بعضی از ماشین ها پیچیده است. هر ماشین پیچیده از به هم پیوستن چند ماشین ساده به وجود می آید. مانند: ماشین لباسشویی و چرخ گوشت.

انواع ماشین ها:

1-  ماشین های ساده:

گروهی از ماشین ها كه پایه و اساس ساخت ماشین های دیگر را تشکیل می دهند، ماشین ساده نامیده می شوند. ماشین های ساده در شش نوع اهرم, قرقره, چرخ محور, سطح شیب دار گوه و پیچ دسته بندی می شوند.

2-  ماشین های مركب یا پیچیده:

گاهی دو یا چند ماشین ساده با هم تركیب می شوند و ماشین جدیدی را به وجود می آورند به چنین ماشین هایی، ماشین های مركب یا پیچیده می گویند. این ماشین ها تغییر شکل یافته ی ماشین ساده یا تركیبی از چند ماشین ساده با یک دیگر هستند.

انواع ماشین های ساده:

1) اهرم

2) پیچ

3) قرقره

4) چرخ دنده

5) سطح شیبدار

گشتاور نیرو:

یکی از اثرات نیرو، خاصیت چرخانندگی آن است. اثر چرخانندگی یک نیرو را گشتاور نیرو می گوییم:

فاصله نقطه اثر نیرو تا محور چرخش ´ اندازه نیرو = اندازه گشتاور نیرو

عوامل مؤثر بر گشتاور نیرو:

1) اندازه نیرو

2) فاصله نقطه اثر نیرو تا محور چرخش

یکای گشتاور نیرو:

با توجه به اینکه یکای نیرو، نیوتن (N) و یکای فاصله، متر (m) است، یکای گشتاور نیرو، نیوتن متر (N.m) است.

اهرم  و قانون اهرم ها:

اهرم:

میله ای است كه می تواند حول یک تکیه گاه دوران كند. در هر اهرم یک تکیه گاه، یک بازوی محرک و یک بازوی مقاوم وجود دارد.

اهرم بر اساس قرار گرفتن محل تکیه گاه، نیروی محرک و نیروی مقاوم به چند نوع تقسیم می شوند:

الف) اهرم نوع اول

ب) اهرم نوع دوم

پ) اهرم نوع سوم

نیروی محرک (E):

نیرویی که به اهرم وارد می کنیم و آن را در فیزیک با حرف E نشان می دهند.

نیروی مقاوم (R):

نیرویی که اهرم به جسم وارد می کند و آن را در فیزیک با حرف R نشان می دهند.

بازوی محرک (L_E):

در یک اهرم فاصله ی نقطه اثر نیروی محرک تا تکیه گاه را بازوی محرک می گویند.

بازوی مقاوم (L_R):

در یک اهرم فاصله ی نقطه اثر نیروی مقاوم تا تکیه گاه را بازوی مقاوم می گویند.

تکیه گاه (F):

نقطه ای از اهرم که اهرم حول آن دوران می کند.

مزیت مکانیکی:

یکی از ویژگی های ماشین های ساده، مزیت مکانیکی (A) آن ها است كه نشان می دهد ماشین، نیروی وارده را چند برابر كرده است. رابطه كلی برای تمام ماشین ها یا مزیت مکانیکی واقعی:

نیروی مقاوم: R

نیروی متحرک: E

رابطه ویژه اهرم ها در صورت وجود نداشتن اصطکاک مزیت مکانیکی كامل .در صورت وجود نداشتن اصطکاک، مزیت مکانیکی (A)  كامل داریم كه از تقسیم طول بازوی محرک (L_E)، بر طول بازوی مقاوم (L_R) به دست می آید:

طول بازوی مقاوم: L_R

طول بازوی متحرک: L_E

مزیت مکانیکی نشان دهنده ی چیست؟

1) مزیت مکانیکی نشان می دهد ماشین چگونه به ما کمک می کند.

2) اگر مزیت مکانیکی بزرگتر از یک باشد، ماشین مقدار نیرو را افزایش می دهد.

3) اگر مزیت مکانیکی کوچکتر از یک باشد, ماشین مسافت اثر نیرو را زیاد می کند.

4) اگر مزیت مکانیکی برابر یک باشد. ماشین فقط از راه تغییر جهت نیرو به ما کمک می کند.

قانون اهرم ها:

چنانچه اهرم در حال تعادل باشد، فرمول زیر صادق است:

بازوی مقاوم ´ نیروی مقاوم = بازوی محرک ´ نیروی محرک

E´L_E = R´L_R

اهرم نوع اول:

در صورتی که تکیه گاه بین نقطه اثر نیروی مقاوم و نیروی محرک باشد، اهرم از نوع اول است.

مثال هایی از اهرم نوع اول:

الاکلنگ (حالت دوم)، ترازوی دو کفه ای (حالت دوم)، انبردست (حالت سوم)، دیلم (حالت سوم)، سیم چین (حالت سوم)، قیچی آهن بری (حالت سوم)، قیچی خیاطی (حالت اول)، سر هنگام خم شدن (حالت اول).

اهرم نوع اول به سه حالت زیر دسته بندی می شود:

1- حالت اول:

اگر تکیه گاه دقیقا وسط نیروی محرک و مقاوم باشد، دو بازوی محرک و مقاوم برابرند:

در این حالت مزیت مکانیکی این اهرم برابر با یک است؛ مانند الاکلنگ، ترازوی دو کفه ای

نوع کمک این اهرم: فقط تغییر جهت نیرو دارد.

2- حالت دوم:

اگر تکیه گاه بین نیروی محرک و مقاوم بوده و به نیروی مقاوم نزدیک باشد، بازوی محرک بزرگتر از بازوی مقاوم است.

مزیت مکانیکی این اهرم بیشتر از یک است؛ مثال: انبردست دیلم - سیم چین - قیچی آهن بری

نوع کمک این اهرم : تغییر جهت نیرو دارد- افزایش نیرو

3- حالت سوم:

اگر تکیه گاه بین نیروی محرک و مقاوم بوده و به نیروی محرم نزدیک تر باشد، بازوی مقاوم بزرگتر از بازوی محرک است و سرعت و مسافت اثر نیرو افزایش می یابد.

مزیت مکانیکی این اهرم کمتر از یک است؛ مثال: قیچی خیاطی۔ حالت سر هنگام خم شدن

نوع کمک این اهرم: تغییر جهت – افزایش سرعت و مسافت اثر نیرو

اهرم های نوع دوم و سوم:

اهرم نوع دوم:

در این نوع اهرم نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک قرار دارد (مانند فندق شکن – فرغون). این نوع اهرم فقط از راه افزایش نیرو به ما كمک می كند؛ زیرا در این اهرم همواره بازوی محرک بزرگتر از بازوی مقاوم است. مزیت مکانیکی این اهرم همیشه از یک بیشتر است.

مثال هایی از اهرم نوع دوم:

فرغون، دربازکن نوشابه، فندق شکن، کاپوت ماشین، قایق پارویی، جک اتومبیل

اهرم نوع سوم:

در این نوع اهرم نیروی محرک بین تکیه گاه و نیروی مقاوم قرار دارد؛ مانند جاروی فراشی. این نوع اهرم، فقط از راه افزایش مسافت اثر نیرو به ما كمک می كند؛ زیرا بازوی مقاوم بزرگتر از بازوی محرک است. مزیت مکانیکی این اهرم همیشه كمتر است.

مثال هایی از اهرم نوع سوم:

جاروی فراشی، راکت تنیس، انبر یخ گیر، قاشق و چنگال، چکش، داس و تبر، شمشیر، بیل، پاروی برف روب، ساق پا، قلاب ماهی گیری، منگنه.

پیچ:

سطح شیب داری است كه دور یک میله پیچیده شده است.

به هر بر آمدگی پیچ یک دنده می گویند .فاصله ی دو برآمدگی یا دو فرو رفتگی پیچ را پای پیچ می گویند. پای پیچ با حرف P نمایش داده می شود. هرگاه محیط پیچ یک دور كامل بچرخد پیچ به اندازه فاصله یک دنده تا دنده دیگر (پای پیچ) جا به جا می شود.

نکته:

1) محیط پیچ جابه جایی نیروی محرک و پای پیچ، جابه جایی نیروی مقاوم است.

2) از پیچ های استوانه ای برای اتصال قطعات فلزی و از پیچ های نوک تیز برای اتصال قطعات چوبی استفاده می شود.

قرقره و انواع آن:

قرقره:

چرخی شیاردار است که حول یک محور می چرخد و شامل قرقره ی ثابت و قرقره ی متحرک است.

مزیت مکانیکی قرقره ی ثابت برابر یک است و از راه تغییر جهت نیرو به ما کمک می کند:

اندازه نیروی مقاوم = اندازه  نیروی محرک

مزیت مکانیکی قرقره ی متحرک برابر 2 است؛ علت آن ثابت نبودن قرقره است که هنگامی که طناب حرکت می کند، قرقره نیز با آن به حرکت در می آید.

قرقره ی مرکب:

قرقره ای است که از ترکیب دو یا چند قرقره ی ثابت و متحرک ساخته شده است.

چرخ دنده و کاربردهای آن:

چرخ دنده:

در اغلب ماشین هایی که می چرخند از چرخ دنده استفاده می شود. ماشینی مانند یک دریل کوچک در سرعت های بالا به نیروی کمی احتیاج دارد و ماشین های دیگری مانند چرخ های بزرگ (پره دار) پشت کشتی های بخار، به نیروی زیادی در سرعت های کم، احتیاج دارند.

چگونگی کار کرد چرخ دنده ها به تعداد دندانه های آن، بستگی دارد؛ مثلا در دندانه های نشان داده شده در شکل ۱۶، چرخ دنده بزرگ تر دارای ۳۶ دنده و دومی دارای ۱۲ دنده است. این چرخ دنده ها با هم تماس دارند و با فرض آنکه روی هم نمی لغزند (سُر نمی خورند)، وقتی چرخ دنده بزرگ به اندازه یک دنده می چرخد، چرخ دنده کوچک نیز یک دنده می چرخد. پس وقتی چرخ بزرگ که دارای ۳۶ دنده است، یک دور کامل می چرخد، چرخ کوچک که دارای ۱۲ دنده است، ۳ دور می چرخد:

بدیهی است اگر چرخ دنده کوچک سبب چرخش چرخ دنده بزرگ شود، به ازای هر سه بار چرخیدن آن، چرخ دنده بزرگ یک بار می چرخد. یعنی سرعت چرخش چرخ دنده کوچک بیشتر از سرعت چرخش چرخ دنده بزرگ است.

این تبدیل ها در صنعت کاربردهای فراوانی دارد. از چرخ دنده ها می توان برای تغییر سرعت چرخش، تغییر گشتاور یا تغییر جهت نیرو استفاده کرد؛ مثلاً در خودروها چرخ دنده ها با تغییر سرعت چرخشی سبب تغییر سرعت خودرو می شوند.

کاربرد چرخ دنده ها:

1) تغییر سرعت چرخش

2) تغییر گشتاور یا تغییر جهت نیرو

سطح شیبدار:

سطح شیبدار یک ماشین ساده است که از قدیم از آن استفاده می شده است. سطح شیبدار به ما کمک می کند تا با نیروی کمتر، اما در مسافتی طولانی تر، جسم سنگین را به سمت بالا حرکت دهیم. وقتی از سطح شیبدار استفاده می کنیم، نیروی محرک کاهش پیدا می کند، اما مسافتی که باید طی شود تا جسم بالا برده شود، افزایش پیدا می کند.

مزیت مکانیکی سطح شیبدار به صورت زیر محاسبه می شود: