▷ ما هي الآلة البسيطة؟ (الأنواع والأمثلة)

تشرح هذه المقالة ما هي الآلات البسيطة وفيم يتم استخدامها. سوف تكتشف معنى الآلة البسيطة، والأنواع المختلفة للآلات البسيطة وكيفية حساب الميزة الميكانيكية للآلة البسيطة.

ما هي الآلة البسيطة؟

الآلة البسيطة هي آلية تسمح لك بتغيير مقدار القوة أو اتجاهها. ببساطة، الآلة البسيطة هي جهاز ميكانيكي يستخدم لممارسة القوة بجهد أقل أو براحة أكبر.

على سبيل المثال، الرافعة هي آلة بسيطة. الرافعة عبارة عن آلة بسيطة لأنها تسمح لك برفع جسم ثقيل باستخدام قوة أقل بكثير مما لو كنت سترفعه بدون رافعة.

باختصار، يمكن تعريف الآلات البسيطة بأنها أبسط الآليات التي توفر ميزة ميكانيكية.

أنواع الآلات البسيطة

بمجرد أن رأينا تعريف الآلة البسيطة، سنشرح الحيل المختلفة للآلات البسيطة بالإضافة إلى خصائصها.

يستيقظ

الرافعة هي نوع من الآلات البسيطة التي تنقل القوة والحركة. وبالتالي، فإن الرافعة عبارة عن جهاز ميكانيكي يعمل على زيادة القوة المطبقة على الجسم أو سرعته أو المسافة التي يقطعها.

بشكل عام، تتكون الروافع من قضيب صلب يمكن أن يدور حول نقطة ارتكاز، تسمى نقطة ارتكاز.

الرافعة عبارة عن آلة بسيطة قديمة جدًا، ويُعتقد في الواقع أنه تم اختراعها في عصور ما قبل التاريخ. في الواقع، فإن آلية الرافعة سهلة التنفيذ للغاية، علاوة على ذلك، فهي مفيدة جدًا لأنها تسمح بزيادة القوة المطبقة على الجسم بشكل كبير.

بكرة

البكرة هي آلة بسيطة تستخدم لنقل القوة. البكرة عبارة عن جهاز جر يستخدم لرفع الوزن بشكل مريح.

الميزة الرئيسية لهذا النوع من الآلات البسيطة هي أنه يمكن دمج عدة بكرات لتقليل الجهد المطلوب لرفع جسم ثقيل. بمعنى آخر، تسمح البكرات بتحريك الحمولة من خلال تطبيق قوة أقل بكثير من وزنها. وبهذه الطريقة، يمكن التعامل مع الأشياء الثقيلة دون صعوبة.

يتكون ترس البكرة من عجلة ذات أخدود صغير يوضع فيه حبل أو كابل أو سلسلة. لذا فإن عمل هذا النوع من الآلات البسيطة هو تعليق حمولة على أحد طرفي الحبل وسحبها على الطرف الآخر من الحبل، وبهذه الطريقة يتم رفع الجسم بفضل آلية البكرة.

في الفيزياء، تُستخدم هذه الأنواع من الآلات البسيطة لطرح مسائل القوة، لأن حل هذا النوع من المسائل يساعد المرء على فهم مفهوم القوة وتعلم كيفية حساب قيمة القوة.

مهد الحضارة

الإسفين عبارة عن قطعة مثلثة الشكل عادة ما تكون مصنوعة من الخشب أو المعدن وتنتهي بزاوية حادة جدًا.

كآلة بسيطة، يتم استخدام شكل الإسفين لتغيير اتجاه القوة المطبقة عليه. وبالتالي، يتم استخدام الإسفين لفصل جسم إلى قسمين، أو لرفع جسم أو تثبيت جسم ثابت في مكانه.

تتمثل عملية الإسفين في تحويل القوة المطبقة عند نهايته إلى قوتين متعامدتين مع أسطحه المائلة. لذلك، فإن الإسفين عبارة عن آلة بسيطة يمكنها تغيير اتجاه القوة.

في البداية، يتم نقل القوة المطبقة على السطح المستوي للإسفين إلى نهايته المدببة، مما يسمح لها باختراق الجسم. بعد ذلك، عند إدخال الإسفين في الفتحة التي تم إنشاؤها، يتم تحويل القوة المطبقة على سطحه المسطح إلى قوتين موجهتين بشكل عمودي على الوجوه المائلة للإسفين، وبالتالي فصل الجسم إلى جزأين.

مستوى مائل

المستوى المائل هو سطح مائل بزاوية معينة. في الفيزياء، يُستخدم هذا النوع من الآلات البسيطة للتدريب على مشاكل القوة.

على سبيل المثال، يعتبر الطريق المنحدر أو الطريق المنحدر بمثابة مستويات مائلة.

يسمح لك المستوى المائل بنقل جسم ما باستخدام قوة أقل. نظرًا لأن دفع الجسم على مستوى مائل يتطلب قوة أقل من رفعه رأسيًا.

الباب الدوار

المخرطة عبارة عن أداة تتكون أساسًا من كرنك متصل بأسطوانة يتم فيها لف الكابل.

وبالتالي، فإن تشغيل هذا النوع من الآلات البسيطة يتكون من أسطوانة تستخدم الكرنك لتدوير الكابل أو فكه. بهذه الطريقة، يمكن رفع أو خفض الجسم المعلق بالكابل.

ميزة هذا النوع من الآلات البسيطة هي أنه يسمح لك برفع الحمولة بقوة أقل. ومن ناحية أخرى، يجب أن تكون الحركة مع الكرنك أكبر من المسافة التي يقطعها الحمل، وبالتالي يتحرك الحمل بشكل أبطأ من الكرنك.

أفسد

المسمار عبارة عن جسم معدني بشكل عام له شكل أسطواني وسطحه له شكل حلزوني.

يتكون تشغيل هذا النوع من الآلات البسيطة من تدويرها بواسطة رأسها أو بواسطة ذراع تدوير، بحيث يتقدم المسمار أو يتراجع في اتجاه محوره، وذلك بفضل شكله الحلزوني.

وبالتالي فإن المسمار عبارة عن آلة بسيطة تجعل من الممكن تحويل الحركة الدوارة إلى حركة خطية. ضع في اعتبارك أنه اعتمادًا على اتجاه الدوران، سيتحرك المسمار للأمام أو للخلف.

أدوات أخرى، مثل الرافعة أو المفتاح، مستمدة من تشغيل هذا النوع من الآلات البسيطة.

عجلة

تتكون العجلة من جسم مستدير يدور حول محور. يتيح لك هذا النوع من الآلات البسيطة تحويل الحركة الدائرية إلى حركة متحركة، لأنه إذا كان محور العجلة متصلاً بجسم ما، فإنه سيتحرك للأمام أثناء دوران العجلة.

تعتبر العجلة أقدم آلة بسيطة، كما أن استخدامها هو الأكثر انتشاراً بين جميع أنواع الآلات البسيطة. على سبيل المثال، يوجد تطبيق لهذا النوع من الآلات البسيطة في النقل البري، والتي تتحرك بفضل تشغيل عدة عجلات.

الميزة الميكانيكية لآلة بسيطة

الميزة الميكانيكية للآلة البسيطة هي معلمة توضح مدى تضخيم القوة المطبقة على الآلة البسيطة. وبالتالي فإن الميزة الميكانيكية تشير إلى العلاقة بين قوة الإدخال وقوة الإخراج.

رياضيا، يتم تعريف الميزة الميكانيكية لآلة بسيطة على أنها نسبة القوة الناتجة إلى القوة المطبقة.

$VM=\cfrac{F_r}{F_a}$

يمكن أيضًا حساب الميزة الميكانيكية لآلة بسيطة عن طريق قسمة سرعة القوة المطبقة على السرعة التي يتحرك بها الحمل. وبالمثل، فإن هذا التعبير يعادل أيضًا إزاحة نقطة القوة المطبقة مقسومة على إزاحة الحمل:

$VM=\cfrac{F_r}{F_a}=\cfrac{v_a}{v_r}=\cfrac{d_a}{d_r}$

ومن ثم يمكن استنتاج العلاقات التالية من صيغة الميزة الميكانيكية:

VM>1 : القوة الناتجة أكبر من القوة المطبقة، وبالتالي فإن الآلة البسيطة تزيد من حجم القوة. ومن ناحية أخرى، فإن المسافة التي يقطعها الحمل أقل من المسافة التي يقطعها النقطة التي يتم فيها تطبيق القوة.
VM<1 : القوة الناتجة أقل من القوة المطبقة، وبالتالي فإن الآلة البسيطة تقلل من قيمة القوة. ومع ذلك، فإننا نحصل على إزاحة حمل أكبر من الإزاحة التي حدثت عند نقطة تطبيق القوة.
VM=1 : القوة الناتجة للآلة البسيطة تساوي القوة المؤثرة عليها. إن إزاحات الحمل ونقطة تطبيق القوة متطابقة أيضًا. على الرغم من أن هذه الأنواع من الآلات البسيطة لا توفر ميزة ميكانيكية، إلا أنها تستخدم بشكل عام لأداء تقوية العضلات بطريقة أكثر راحة. على سبيل المثال، تسمح البكرة البسيطة بقوة للأسفل لرفع الوزن، مما يجعل رفع الحمل أسهل.

آلة بسيطة وآلة مركبة

وأخيراً سنرى ما هو الفرق بين الآلة البسيطة والآلة المركبة، حيث أنهما نوعان من الآلات لهما تطبيقات عديدة.

الآلات المركبة هي آلات تتكون من عدة آلات بسيطة. ومن ثم يتم دمج العديد من الآلات البسيطة في سلسلة للحصول على ميزة ميكانيكية أكبر.

ولذلك فإن الفرق بين الآلة البسيطة والآلة المركبة هو أن الآلة البسيطة هي عنصر ميكانيكي واحد، في حين أن الآلة المركبة هي مزيج من عدة آلات بسيطة.