الآلات البسيطة

الالات البسيطة وأنواعها

الآلة البسيطة  Simple machine: هي أداة تعمل على تغيير مقدار القوة اللازمة لبذل الشغل أو اتجاهها أو الاثنين معا.

تقسم الآلات البسيطة إلى انواع رئيسة، منها:

المستوى المائل

الروافع

البكرة

العجلة

محور الدوران

فائدة الآلة: تجعل إنجاز الشغل أسهل.

الرافعة

الرافعة: هي ساق تدور حول نقطة ثابتة تسمى نقطة الارتكاز.

الرافعة من أبسط الآلات البسيطة التي استخدمها الإنسان منذ القدم، لتساعده على رفع الاجسام الثقيلة، إذا إن رفع حجر ثقيل دون استعمال الرافعة يحتاج إلى قوة كبيرة، بينما يمكن رفعه باستخدام قوة اقل عند استعمالها.

يسمى وزن الحجر المقاومة.

تسمى القوة اللازمة لتحريك الرافعة القوة المؤثرة.

الفائدة الآلية Mechanical Advantage: هي النسبة بين المقاومة إلى القوة المؤثرة.

 

مثال: عند استخدام آلة فائدتها الآلية (2)، فهذا يعني أن الآلة تضاعف قوتي مرتين، لأنها تمكنني من التغلب على مقاومة مقدارها ضعف القوة التي أبذلها.

أتحقق: ماذا نعني بقولنا إن الفائدة الآلية لآلة = 3؟

الآلة تضاعف القوة ثلاث مرات، أي باستخدام الآلة يمكن التغلب على مقاومة مقدارها ثلاث أضعاف القوة المؤثرة.

المستوى المائل

المستوى المائل: هو سطح مستو أحد طرفيه مرتفع بالنسبة إلى الطرف الآخر.

يستخدم في تطبيقات عدة، منها:

- نقل الأجسام الثقيلة مثل الأثاث إلى الشاحنة، فتحريك الأثاث على المستوى المائل أسهل من رفعه رأسيا.

مثال: لرفع جسم وزنه (300N) رأسيا إلى ارتفاع (1m) يلزم قوة مقدارها (300N)، فتبذل القوة شغل يحسب من العلاقة:

$W = F.S = 300\times 1= 300J$

أما عند استخدام المستوى المائل لرفع الجسم إلى الارتفاع نفسه، فيمكن بذل الشغل نفسه عن طريق التأثير بقوة أقل في الجسم ولكن بتحريكه لمسافة أكبر.

فعند استخدام مستوى املس طوله (3m)، وباهمال قوى الاحتكاك فإن القوة اللازمة لدفع الجسم تحسب من العلاقة:

$F = \frac{W}{S}= \frac{300}{3}= 100 N$

يمكن القول إن بذل الشغل أصبح أسهل، فالقوة قلت إلى الثلث، أما المسافة فزادت ثلاث مرات. وعليه، فالمستوى المائل يمكننا من بذل الشغل نفسه باستخدام قوة أقل، لكن المسافة التي يتحركها الجسم تحت تأثير القوة تزداد في المقابل. وكلما زاد طول المستوى قل مقدار القوة اللازمة لرفع الجسم إلى الارتفاع نفسه.

بإهمال قوى الاحتكاك، فإن الفائدة الآلية للمستوى المائل الاملس (المثالي) (IMA) يمكن حسابها بقسمة طول المستوى (I) على ارتفاعه (h)، ويعبر عنها بالعلاقة الآتية:

$IMA=\frac{I}{h}$

مثال مستوى مائل أملس طوله (1.5m) وارتفاعه (60cm). احسب فائدته الآلية. الحل: أعبر عن طول المستوى وارتفاعه بالوحدة نقسها، فأحول الطول من وحدة (m) إلى (cm). $I = 1.5 \times 100= 150cm$ أحسب الفائدة الآلية باستخدام العلاقة: $$\begin{gathered} IMA = \frac{I}{h} \\ IMA= \frac{150}{60}=2.5 \end{gathered}$$

أتحقق: أقارن بين رفع جسم رأسيا إلى الأعلى ورفعه باستخدام مستوى مائل أملس إلى الإرتفاع نفسه، من حيث: مقدار القوة اللازم تأثيرها في الجسم، ومقدار الشغل المبذول على الجسم.

القوة: للمستوى المائل يلزم قوة أقل من القوة اللازمة لرفع الجسم رأسيا.

الشغل: متساوي في الحالتين.

 

أتأمل الصورة أفسر: لماذا تصمم الطرق الجبلية كما تظهر في الصورة؟ تصمم  الطرق بشكل متعرج على شكل مستويات مائلة متتالية مما يقلل من مقدار القوة اللازمة لحركة السيارة من أسفل الجبل إلى أعلاه وبالمقابل تزداد المسافة اللازم لقطعها.

البكرة

البكرة: هي عجلة محيطها غائر، يلف حوله حبل أو سلك قوي، قابلة للدوران حول محور.

مثل النوع الموجود في سارية العلم.

تعمل البكرة الثابة على تغيير اتجاه القوة، إذ يربط الجسم المراد رفعه بأحد طرفي الحبل، ويسحب الطرف الآخر للأسفل.

 

بإهمال قوة الاحتكاك بين البكرة والحبل، فإن القوة اللازمة لرفع جسم وزنه (150N) إلى الأعلى تتطلب شد الحبل إلى الأسفل بقوة مقدارها (150N)، وميزة البكرة الثابتة أنها تغير اتجاه القوة، لأن شد الحبل إلى الأسفل أسهل من شده إلى الاعلى.

العجلة ومحور الدوران

العجلة ومحور الدوران: هي عجلة متصلة بعمود صلب يمر في مركزها، يدوران معا في الاتجاه نفسه.

تستخدم العجلة والمحور بطرائق مختلفة، فمثلا، يؤدي دوران المحور في الدراجة الهوائية إلى دوران العجلة، ولأن العجلة أكبر من المحور فإن دورانه لمسافة صغيرة يقابله دوران العجلة لمسافة كبيرة، والتروس مثال آخر على العجلة والمحور، وفيها تستخدم أقراص مسننة كي تنقل الحركة من قرص إلى آخر.

نشاط: حركة التروس المواد والأدوات: نماذج ورقية للتروس، كرتون سميك، مقص، قلم تخطيط، شريط لاصق، قطعة كرتون مستطيلة، دبابيس. خطوات العمل: 1- أعمل نموذجا: أقص النماذج الورقية للتروس، وأستخدمها لعمل نماذج مماثلة من الكرتون السميك، وأستخدم قلم الرصاص لعمل ثقب صغير في مركز الترس، وأرسم علامة على أحد المسنات لكل ترس. 2- أضع الترس الأكبر على لوح الكرتون، وأدخل طرف القلم في منتصفه بحيث يخترق الترس واللوح، وأثبته مستخدما الشريط اللاصق. أتأكد من أن الترس يدور بسهولة. 3- أضع الترس المتوسط بحيث تتشابك مسنناته مع مسننات الترس الكبير، وأثبته بدبوس، وأرسم "علامة" على لوح الكرتون مقابل العلامة المرسومة على المسنن، لتكون نقطة بداية الحركة لكل ترس. 4- أجرب: أدير الترس الكبير دورة كاملة، وألاحظ اتجاه حركة الترس المتوسط وعدد الدورات التي يدورها مقابل إكمال الترس الكبير دورة كاملة، وأسجل ملاحظاتي. عندما يدور الترس الكبير باتجاه فإن الحركة تنتقل إلى الترس الثاني فيدور باتجاه معاكس، عدد الدورات يعتمد على عدد المسننات فإذا كان عدد مسننات الترس الأصغر نصف الترس الكبير فإنه يدور دورتين عندما يكمل الترس الكبير دورة واحدة. 5- أكرر الخطوات (3-4) بإضافة الترس الصغير، وأسجل ملاحظاتي. 6- أصف: كيف تنتقل الحركة من ترس إلى آخر. تشابك مسننات التروس يتيح لكل ترس أن ينقل الحركة إلى الترس الذي يليه. 7- أقارن: كم عدد الدورات التي يكملها الترسان المتوسط والصغير عندما يكمل الترس الكبير دورة كاملة؟ 8- أستنتج: ما أهمية استخدام التروس في الآلات؟ وسيلة لنقل الحركة والتحكم في مقدار واتجاه سرعة الدوران في الآلات.

الكفاءة

كي تعمل الآلة يجب بذل شغل عليها لتزويدها بالطاقة، وهي تحول الطاقة الداخلة إليها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة يكون مفيدا لإنجاز الشغل، وبسبب قوى الاحتكاك.

فإن جزءا من الطاقة الداخلة إلى الآلة يتحول إلى طاقة غير مفيدة، تظهر غالبا على شكل طاقة حرارية.

لا توجد آلة مثالية كفاءتها 100%، إضافة إلى أن بعض الآلات، مثل السيارات التي تعمل على الوقود، كفاءتها منخفضة، لذا يعمل المتخصصون منذ سنوات على تطوير وسائل لتقليل الإحتكاك، فمثلا، تعمل زيوت التشحيم على تقليل الإحتكاك بين أجزاء المحرك الداخلية، كما أن شكل السيارات والطائرات الإنسيابي يقلل من قوة مقاومة الهواء.

أتحقق: لماذا لا توجد آلة مثالية كفاءتها 100%؟

بسبب قوى الاحتكاك فإن جزءا من الطاقة الداخلة إلى الآلة يتحول إلى طاقة غير مفيدة.

الإثراء والتوسع: وسائل نقل المستقبل استعمل الإنسان منذ القدم وسائل للنقل تطورت عبر الزمن، منها السيارات والقطارات والطائرات، فالسيارات مثلا تعد وسيلة نقل رئيسة داخل المدن، إلا أنها آلات ذات كفاءة منخفضة، تسهم أعدادها الكبيرة في رفع نسبة التلوث في الجو، وفي نفاد مصادر الطاقة التقليدية (غير متجددة). هذه الأسباب وغيرها تشكل تحديا يحفز العلماء للتفكير في وسائل جديدة للنقل، إحداها الهايبرلوب. يشبه الهايبرلوب القطار، لكن مع إدخال التكنولوجيا في تصميمه، فبدلا من عرباته التقليدية يتكون الهايبرلوب من كبسولات تسير بسرعة فائقة عبر أنبوب طويل مفرغ من الهواء تقريبا. أبحث في الانترنت عن وسائل النقل التي يسعى العلماء إلى تطويرها في المستقبل، ومن ضمنها الهايبرلوب، وأنظم مع زملائي "ندوة" أحاورهم فيها وأستمع إلى توقعاتهم عن شكل تلك الوسائل.