أمثلة على الآلات البسيطة ملخص درس الآلات فيزياء ثاني ثانوي
أمثلة على الآلات البسيطة :
الآلات
تعريف الآلة :- محركات تدار بقوى بشرية.
الفائدة منها :- 1/ تسهيل المهام. 2/ تخفيف الحمل.
عملها :- تغيير تجاه القوة ومقدارها.
وتنقسم الآلات إلى :-
1/ آلة بسيطة. أمثلة ” فتاحة الزجاجات ، مفك البراغي “
2/ آلة مركبة. أمثلة ” الرافعة ، البكرة ، العجلة والمحور ، المستوى المائل ، الوتد ، البرغي ”
يسمى الشغل الذي بذلته أنت :-الشغل المبذول (Wi)
أما الشغل الذي تبذله الأداة فيسمى :- الشغل الناتج (Wo)
وتسمى القوة المؤثرة في الآلة بواسطة شخص :-القوة المسلطة (Fe)
أما القوة التي أثرت بها الآلة :- القوة المقاومة (Fr)
- فتاحة الزجاجات
- مفك البراغي
فوائد الآلات :
لندرس فتاحة الزجاجات المبينة في الشكل 3-9 , فعندما تستخدم هذه الأداة فإنك ترفع طرفها البعيد , لذا تكون قد بذلت شغلا على الفتاحة , التي تبذل شغلا على الغطاء عندما ترفعه . ويسمى الشغل الذي بذلته أنت في هذه الحالة الشغل Wi , أما الشغل الذي بذلته الأداة فيسمى الشغل الناتج w0
ملاحظة : الشغل هو عملية انتقال الطاقة بالطرق الميكانيكية . فأنت خزنت شغلا في الأداة كفتاحة الزجاجات مثلا , لذا تكون قد نقلت طاقة إلى الأداة . وفي المقابل بذلت فتاحة الزجاجات شغلا على الغطاء , ولذا فقد نقلت الطاقة إليه .لا تعد فتاحة الزجاجات مصدر طاقة , ولذلك لا يكتسب الغطاء طاقة تزيد على كمية الطاقة التي خزنتها في فتاحة الزجاجات . وهذا يعني أن الشغل الناتج لا يمكن ان يكون اكبر من الشغل المبذول .
الفائدة الميكانيكية :
إن القوة التي أثرت في الآلة بواسطة شخص ما تسمى القوة المسلطة Fe , أو اختصارا القوة . أما القوة التي أثرت بها الآلة فتسمى المقاومة Fr . يبين لنا الشكل 3-9a أن Fe (القوة) هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة الشخص عند استخدام فتاحة الزجاجات , وأن (المقاومة) Fr هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة فتاحة الزجاجات , وتسمى نسبة المقاومة إلى القوة Fr/Fe الفائدة الميكانيكية MA للآلة .
الفائدة الميكانيكية : MA = Fr/Fe
الفائدة الميكانيكية للآلة تساوي ناتج قسمة المقاومة على القوة .
ملاحظة : عندما تكون الفائدة الميكانيكية أكبر من 1 فإن الآلة تعمل على زيادة القوة التي أثر بها شخص ما .
يمكننا أن نعبر عن الفائدة الميكانيكية للآلة بطريقة أخرى وذلك باستخدام تعريف الشغل :
حيث we = Fede و wr = Fr dr
ويمكننا إعادة كتابة المعادلة على الصورة
تذكر أن الفائدة الميكانيكية يعبر عنها بالمعادلة
لذا فإن الفائدة الميكانيكية المثالية (IMA) تساوي إزاحة القوة مقسومة على إزاحة المقاومة .
الكفاءة :
ملاحظة : يكون الشغل المبذول في الآلات الحقيقية أكبر من الشغل الناتج . وإن إزالة الطاقة من النظام تعني أن هناك نقصانا في الشغل مما يجعل الآلة أقل كفاءة وفاعلية عند إنجاز المهمة .
هناك قانونين يمكننا استعمالها عند إيجاد الكفاءة :
1- الكفاءة :
إن كفاءة الآلة (كنسبة مئوية %) تساوي الشغل الناتج مقسوما على الشغل المبذول مضروبا في العدد 100 .
2- الكفاءة بدلالة الفائدة الميكانيكية والفائدة الميكانيكية المثالية :
إن كفاءة الآلة (كنسبة مئوية % ) تساوي فائدتها الميكانيكية مقسومة على فائدتها الميكانيكية المثالية مضروبة في العدد 100 .
ملاحظة : جميع الآلات الحقيقية كفاءتها اقل من 100%
ملاحظة : يحدد تصميم الآلات فائدتها الميكانيكية المثالية , فالآلة ذات الكفاءة العالية لها فائدة ميكانيكية تساوي غالبا كفاءتها الميكانيكية المثالية , وللحصول على قوة المقاومة نفسها فإنه يجب التأثير بقوة أكبر في الآلة ذات الكفاءة المتدنية مقارنة بالآلة ذات الكفاءة العالية .
الآلات المركبة :
تتكون معظم الآلات بغض النظر عن مستوى تعقيدها من آلة بسيطة واحدة أو أكثر من الآلات التالية :
الرافعة , البكرة , الدولاب والمحور , المستوى المائل , الوتد (الإسفين), البرغي . انظر الشكل التالي :
إن الفائدة الميكانيكية المثالية (IMA) لكل الآلات الموضحة في الشكل السابق هي النسبة بين المسافات المقطوعة , ويمكن استبدال هذه النسبة للآلات كالرافعة والدولاب والمحور بنسبة المسافات بين النقاط التي أثرت عندها كل من القوة والمقاومة ونقطة الارتكاز .
من أمثلة الدولاب والمحور : عجلة القيادة والتي تكون الفائدة الميكانيكية المثالية لها هي النسبة بين قطري الدولاب والمحور . انظر الشكل 3-12
الآلة المركبة : هي الآلة التي تتكون من آلتين بسيطتين أو اكثر ترتبطان معا , بحيث تصبح المقاومة لإحدى هذه الآلات قوة (مسلطة) للآلة الأخرى .
الفائدة الميكانيكية للآلة المركبة (MA) تساوي حاصل ضرب الفوائد الميكانيكية للآلات البسيطة التي تتكون منها .
آلة المشي البشرية :
إن جسم الإنسان مزود أيضا بآلات بسيطة على هيئة رافعات تمنحه القدرة على السير والركض , إلا ان أنظمة الرافعات في جسم الإنسان اكثر تعقيدا ولكل نظام الأجزاء الرئيسية التالية :
- قضيب صلب (العظام)
- مصدر قوة (انقباض العضلات)
- نقطة ارتكاز (المفاصل المتحركة بين العظام )
- مقاومة (وزن جزء الجسم أو الشيء الذي يتم رفعه أو تحريكه )
يوضح الشكل السابق الأجزاء المكونة لنظام الرافعة في قدم الإنسان . إن قيمة كفاءة النظام للروافع في جسم الإنسان ليست عالية , والفوائد الميكانيكية لها محدودة وهذا يفسر حاجة الجسم إلى الطاقة (حرق السعرات الحرارية ) في حال المشي أو العدو البطيء مما يساعد الناس على التقليل من الوزن .
ملاحظة : إن الأشخاص طوال القامة لديهم أنظمة رافعة فائدتها الميكانيكية اقل من الأشخاص القصار القامة . بينما يستطيع طوال القامة المشي اسرع ولكن ذلك يتطلب منه التأثير بقوة أكبر لتحريك الرافعة الطويلة المكونة من عظام الساق .