ماشین ساده

ماشین ساده یک وسیله مکانیکی است که بزرگی و یا جهت یک نیرو را تغییر می دهد. بطور کلی تعریف آنها به صورت ساده ترین مکانیزم هایی که خاصیت مکانیکی را برای توزیع نیرو در جهت و اندازه مورد نظر استفاده میکند نیز قابل قبول است.
اصطلاح ماشین ساده به شش نوع ماشین کلاسیک ساده الحاق میشود که توسط دانشمندان دوره رنسانس اروپا به صورت زیر تاریف شده اند:
1-اهرم (lever)

 2-چرخ و محور(wheel and axle) 

3-قرقره (pulley)

4- سطح شیب دار (inclined plane) 
5- براز یا گوه (wedge) 

6- پیچ (screw) 

ماشین ساده نیروی پخش اعمال شده بر سطح رو بعنوان عمل مقابل یک نیروی قالب بکار می گیرد، بدون در نظر گرفتن هدر رفته بوسیله اصطکاک کار انجام گرفته توسط نیروی اعمال شده دقیقا برابر با کار انجام شده توسط نیروی تحت اعمال قبلی (نیروی قالب) می باشد. ماشین ساده قادر قادر به افزایش اندازه نیروی وارده و اعمال آن نیز می باشد، در بهای کاهش متناسب فاصله عمل توسط نیروی اولیه قالب (همانند گشتاور). 
نسبت مقدار خروجی نیروی اعمال شده به بیروی ورودی را بازده مکانیکی می گویند.
ماشین های ساده میتوانند به عنوان پایه های اولیه همه ماشین های پیچیده (compound machines) دیگر در نظر گرفته شوند، به عنوان مثال، چرخ ها، اهرم ها و قرقره ها همه در مکانیزم یک دوچرخه به کار گرفته می شوند.
ایده ماشین ساده توسط فیلسوف یونانی، ارشمیدس، حدود 3 قرن قبل از میلاد مسیح ریشه بر خاک افکند، هنگامی که در حال مطالعه ماشین های ساده ای که خودش طراحی کرده بود پرداخته بود، یعنی: اهرم، قرقره و پیچ. او اصول بنیادی مزیت مکانیکی را در اهرم کشف کرد، سخن معروف او در باب فلسفه کنترل نیرو بوسیله اهرم می گوید: ((به من تکیه گاهی برای ایستادن بر آن (به غیر از زمین) بدهید، و من زمین را برای شما جابجا خواهم کرد.)) این امر همچنان عقیده او به این مسئله که توانایی تبادل نامحدود نیروی مکانیکی توانایی ایجاد می کند که بوسیله تکیه گاه دیگری خارج از زمین و با استفاده از انرژی مکانیکی اهرم، بتواند زمین را جابجا کند.
 

اهرم (lever): اهرم ماشین مکانیکی ساده ای است که از یک میله در یک لولا یا روی شانه ثابتی محکم شده. اهرم بدنه ای سخت که توانایی دوران روی یک نقطه را دارد.
بر مبنای مکان قرار گیری پایه، وزن بارگزاری شده و انرژی وارده و جهات آنها نسبت به دستگاه مکانیکی، اهرم ها به سه دسته تمایز دارند.
این یکی از شش مکانیزم ساده است که توسط دانشمندان رنسانس پایه گذاری شده.
یک اهرم همانند دیگر مکانیزم های ساده نیروی ورودی کوچک خود را به نیروی خروجی قدرتمند تری به شیوه قابل کنترل تری تبدیل می کند.
نسبت نیروی خروجی به ورودی اهرم، بازدهی مکانیکی آن را تائین میکند. به این ترتیب اهرم یک وسیله مزیت مکانیکی است که تبادل تبادل نیرو در ازای حرکت است.
با توجه به بررسی آثار به جا مانده تاریخ شناسی، اولین شواهد موجود مکانیزم اهرمی،به خاورمیانه و در حدود 5000 سال قبل از میلاد مسیح مورد استفاده قرار گرفت. در بین النهرین (عراق امروزی) حدود 300 سال قبل از میلاد، شادوف که وسیله ای جرثقیل مانند بود با استفاده از مکانیزم اهرم اختراع شد.
در مصر باستان کارگران برای جابجا کردن ستون های سنگی که وزنی بیش تر از 100 تن داشتند، از اهرم استفاده میکردند. تو رفتگی های موجود در ستون های سنگی و شواهدی مبنی بر وجود کارفرمایانی که در زمینه دیگری بجز سازماندهی اهرم ها کاربرد نداشتند، گواه استفاده از پدیده اهرم را داشتند.
با وجود موارد ذکر شده اولین آثار دستنوشته مربوط به کاربرد اهرم ها به قرن سوم قبل از میلاد مسیح و ارشمیدس میباشد. سخن معروفی که بیان میکرد(اهرمی به اندازه کافی و پایه ای بجز زمین برای قرار گیری آن به من بدهید تا من جهان را به پویش بوسیله آن وادارم.)

 


 

چرخ و محور (wheel and axle): چرخ و محور ماشینی است که از چرخ متصل به یک محور کوچکتر تشکیل شده به گونه ای که چرخ و محور به طور همسان دوران کنند و نیرو بین آندو جریان یابد، یک لولا یا یاتاقان متصل به محور باعث چرخش در این مکانیزم میشود و نیرو را تقویت میکند.
یک نیروی کوچک اعمال شده در حاشیه چرخ بزرگ متصل به محور میتواند از طریق یاتاقان، بار نیروی بیشتری را در محور ایجاد کند که اساس استفاده از این ماشین نیز بسته به این خاصیت مکانیکی می باشد. 
چرخ و محور میتواند به چشم یک نسخه از مکانیزم اهرم (lever) ذکر شود.اهرمی که با نیروی محرکه ای که به طور مماس بر محیط پیرامون اعمال می شود و بار نیرویی که بر روی محور اعمال میشود و به ترتیب در اطراف لولا که نقطه اتکا است، تعادل می یابد و متعادلا نیروی تقویت شده را به آن منتقل میکند.
بازده مکانیکی چرخ و محور، به صورت نسبت ضریب فاصله از تکیه گاه به نیروی اعمال شده می باشد: 
بازده مکانیکی=نیروی اعمال شده(بر حسب نیوتن)×فاصله از تکیه گاه(بر حسب متر)
جالبه بدونین که مقدار عددی بدست آمده از فرمول بالا برابر با ضریب قطر چرخ در قطر محور می باشد.
قالبا کاربرد چرخ و محور در وسایل نقلیه چرخدار می باشد، که در آنها چرخ و محور برای کاهش اصطکاک وسیله نقلیه در حال حرکت حیاطی میباشد. نمونه های دیگر دستگاه هایی که از چرخ و محور استفاده میکنند عبارتند از: بالشتک های موجود در عرشه کشتی ها برای افزایش سرعت کشتی، مکانیزم های انتقال قدرت کمربندی و همینطور چرخ دنده ها.
تاریخ چرخ و محور: فرهنگ هالاف(قومی باستانی که در شمال سوریه امروزی می زیسته اند، دوره 6500 تا 5100 قبل از میلاد مسیح)به اولین استناد از یک وسیله نقلیه چرخدار معتبر شده. اما این جای تردید است زیرا هیچ مدرکی مبنی بر استفاده هالافیان از وسایل مجهز به چرخ یا حتی ظروف سفالی وجود ندارد.
یکی از اولین مدارک مربوط به استفاده از چرخ که ظاهر شد، چرخ سفالگری بود که توسط فرهنگ های ماقبل تاریخ برای ساخت گلدان های سفالی استفاده میشد.
اولین نوع، معروف به "تورنت" یا "چرخ های آهسته"، حدود پنج هزار سال قبل از میلاد در خاور میانه استناد شده بود. یکی از اولین نمونه ها که در تپه پردیس ایران کشف شده بود، به تاریخ 5200 تا 4700 سال قبل از میلاد مسیح مربوط می شد. اینها از سنگ یا خشت یاخته شده بودند و با میخ در مرکز خود به زمین متصل می شدند اما برای چرخش شان نیاز به نیروی قابل توجهی بود. چرخ های سفالگری واقعی که آزادانه در حال چرخش و دارای مکانیزم چرخ و محور هستند، در بین النهرین حدود 4000 سال قبل از میلاد توسعه یافتند.

 


قرقره (pulley): قرقره در واقع چرخی است که روی یک یافت یا محور قرار گرفته است و برای پشتیبانی از حرکت و تغییر جهت بوسیله کابل یا تسمه تنگ و یا انتقال نیرو بین شافت و کابل یا کمربند طراحی شده.
البته کابلی که توسط پوسته یا قابی احاطه شده باشد نمی تواند نیرویی به شافت یا میله ای که به آن متصل می شود منتقل کند بلکه برای هدایت کابل یا اعمال نیرو کاربرد دارد در این صورت قاب احاطه کننده قرقره (بلوک) و قرقره نیز(چرخ طناب خور) نامیده می شوند.
یک قرقره ممکن است دارای یک شیار یا برجستگی های حول لبه های اطراف باشد آن باشد تا کابل یا کمربند را پیدا کند.
عنصر عامل (جهت دهنده) سیستم قرقره می تواند یک طناب، کابل، کمربند یا زنجیر باشد.
اولین شواهد موجود مربوط به قرقره ها در اوایل هزاره دوم قبل از میلاد، به بین النهرین باز میگردد، در مصر باستان این امر به 1991-1802 پیش از میلاد ، در استان رومی واقع در شمال مصر باستان، قهرمان اسکندریه (حدود 10-70 قبل از میلاد) قرقره را به عنوان یکی از شش ماشین ساده اصلی که برای بلند کردن وزنه ها استفاده می شد، معرفی کرد.
قرقره ها به منظور ایجاد بازده مکانیکی برای اعمال نیرو های بزرگ، استفاده می شوند، آنها همچنین بعنوان بخش متغیر کننده های جهت کمربند و زنجیر چرخ دنده، برای انتقال قدرت از یک میله چرخان به دیگری نیز استفاده می شوند.
مجموعه ای از قرقره ها به گونه ای چینش می شوند که بتوانند به طور مستقل در یک محور مشخص دوران کنند.
دو بلوک به همراه طنابی که به یکی از بلوک ها وصل شده و از طریق دو مجموعه قرقره پیچیده می شوند، بلوک و دسته ای را تشکیل می دهند.
یکی از بلوک و حلقه ها در مکانیزم ذکر شده نقش جمع شدن و باز شدن را دارند بنابر این یکی از بلوک ها باید به نقطه نصب ثابت شود و دیگری به محموله متحرک وصل شود، هر چه که تعداد قطعات طناب ها بالاتر برود، بلوک متحرک از پشتیبانی بیشتر و بازده مکانیکی قرقره  بالاتر می رود. (این امر همچنان با استفاده از بلوک و قرقره های بیشتر نیز ممکن می باشد.)

گوه(wedge): یک ابزار مثلثی شکل است و یک سطح شیبدار قابل حمل و یکی از شش ماشین ساده کلاسیک است.

میتوان از آن برای جداکردن دو شئ یا بخشی از یک شئ، بلند کردن یک جسم یا نگه داشتن یک شی در محل استفاده کرد. این کار با تبدیل نیرویی که یه انتهای صاف آن اعمال می شود، به نیرو های عمودی سطوح شیب آن تبدیل می شود.

بازده مکانیکی گوه بوسیله نسبت طول شیب آن ضرب در عرض گوه تعیین می شود، به عنوان مثال اگرچه یک گوه کوتاه با زاویه ای گسترده تر امکان سریع تر کردن پروسه را فراهم می آورد، اما نیرویی بیشتری نسبت به یک گوه بلند با زاویه باریک به عمل می آورد. گوه به سادگی انرژی را در بدنه خود جریان می بخشد و آنرا در نوک تند و تیزش به عمل می آورد و در نهایت اجسام را بوسیله آن می شکافد که تایئد کننده جریان انرژی و فشار زیادی در ناحیه نازک آن می باشد.

شاید اولین نمونه استفاده از گوه، تبر دست باشد که در دوره های قبل از تاریخ توسط سنگ ساخته می شدند و با مکانیزم خود نیروی جانبی و حرکت ابزار را به یک نیروی تقسیم عرضی و متمرکز کردن نیرو در سطح تیز آن تبدیل می کنند و مکانیزم گوه به نوعی سر تیز را با کاهش مقدار حرکت با نیروی بیشتری تقویت می کنند. این تقویت نیرو یا بازده مکانیکی آن مقیاسی هم تراز با نسبت سرعت ورودی به سرعت خروجی است که برای گوه این متوسط برابر با 1 بر روی tanα میباشد که در آن زاویه α، زاویه نوک گوه می باشد.

سطح شیبدار (inclined plane): یک سطح شیبدار که به عنوان رمپ نیز شناخته شده، یک سطح صاف است که در یک زاویه، شیب پیدا کرده و یک انتهای آن از طرف دیگر در ارتفاع بالاتری است، به عنوان سطح کمکی برای بالا بردن بار از ارتفاع بدون بلند کردن آن و با کاهش انرژی مصرفی  و همینطور کاهش جرم بار می‌باشد.سطح شیبدار یکی از شش ماشین ساده و اصلی تعریف شده توسط دانشمندان دوره رنسانس می باشد.

سطوح شیب دار به طور گسترده ای برای انتقال بار های سنگین از روی موانع عمودی استفاده می‌شوند. البته که مثال های استفاده از سطوح شیبدار از بارگیری اجناس در محفظه کامیون ها تا یا تغییر درجه ریلی یک قطار متفاوت می‌باشد.

جابجایی یک شی در یک صفحه شیب دار نیروی کمتری را نسبت به بلند کردن آن ( البته که در ازای افزایش فاصله جابجایی ) طلب می‌کند. بازده مکانیکی این سطوح، یا به اصطلاح عاملی که باعث کاهش نیروی مصرفی مورد نیاز آن می‌شود برابر نسبت طول سطح شیبدار به ارتفاعی که پوشش می‌دهد می‌باشد.

به منظور صرفه جویی در مبحث مصرف انرژی، به همان مقدار انرژی مکانیکی (کار) که برای یک جسم معین با فاصله عمودی معین (بدون در نظر گرفتن هدر های ناشی از اصطکاک) لازم است با این وجود که سطح شیبدار در ازای مسافت بیشتر، نیروی کمتری را مورد استفاده قرار می‌دهد.

زاویه اصطکاک، که گاهی اوقات زاویه سکون نیز نامبرده می‌شود، حداقل زاویه ای است که در آن بار می‌تواند به کمک اصطکاک، بدون وجود حرکت نزولی شی به پایین، روی سطح شیبدار حرکت کند. این زاویه برابر است با arctangent (معکوس تانژانت) ضریب اصطکاک ایستایی μs بین دو سطح .دو ماشین ساده باقی مانده دیگر (گوه و پیچ) اغلب به عنوان محصولی از خلاقیت ابتدایی ترین سطح شیب دار گماشته می‌شوند.

گوه را می‌توان یک سطح شیبدار با شیب متحرک یا دو سطح شیبدار به هم متصل در پایه هایشان در نظر گرفت(حالت مثلث های متساوی الاضلاع) همینطور پیچ از یک سطح شیبدار(یا گوه) باریک پیچیده شده در اطراف محور استوانه ای بدنه آن تشکیل شده است.سطوح شیبدار به طور گسترده ای بارگذاری می‌شوند تا بارگیری کالا روی کامیون ها، کشتی ها و هواپیما ها انجام می‌شود.

از سطوح شیبدار با شیب کمتر برای افراد روی ویلچر ها استفاده می‌شود تا آنها بتوانند بوسیله آن از موانع عمودی با قدرت مصرفی بسیار ناچیز عبور کنند.

سطوح شیبدار از دوره ماقبل تاریخ توسط مردم برای حمل اشیا سنگین استفاده شده است. جاده های شیب دار و مسیر های خنثی ساخته شده توسط تمدن های باستانی مانند رومی ها نمونه هایی از سطوح شیبدار اولیه باقی مانده است و نشان می‌دهد آنها ارزش این وسیله را برای حرکت های به سمت بالا درک کرده اند، اهرام مصر با استفاده از سطوح شیب دار استفاده شده اند، شیب های محاصره، ارتش های باستان را قادر به نفوذ به درون قلعه های حریفانشان ساخت، یونانیان باستان همچنان یک تپه سنگفرش شده به طول 6 کیلو متر به نام دیاکلوس را پدید آوردند تا از آن طریق کشتی هایشان را روانه باریکه های آبراه کنند.

با وجود موارد ذکر شده، سطح شیبدار آخرین عضو به رسمیت شناخته شده از شش ماشین کلاسیک قبلی بود که دلیل آنرا می‌توان مبنی بر غیر فعال بودن این وسیله گذاشت (چون بار محرک روی سطح شیب دار، قسمت فعال آن می باشد) و یا وجود آن در طبیعت به شکل دامنه ها و تپه ها و دلائل دیگر باعث می شد فیلسوفان یونان باستان که پنج دستگاه دیگر را تعریف می کردند از سطح شیبدار به عنوان یک دستگاه چشم پوشی کنند و در نهایت تائید آن در لیست ماشین های کلاسیک اصلی در عصر رنسانس به عرصه عمل پیوست.

بازده مکانیکی سطح شیبدار به مقدار شیب آن بستگی دارد، هرچه شیب کوچکتر باشد، بازده مکانیکی بزرگتر است و نیروی لازم برای بالا بردن وزن داده شده نیز کمتر می‌شود.

شیب سطح برابر با اختلاف بین دو ارتفاع بالایی و پایینی آن است. به عبارتی ارتفاع بالایی تقسیم بر طول افقی آن یا به اصطلاح "پا"، این مقیاس همچنین می‌تواند به وسیله زاویه سطح شیبدار و سطح افق θ بیان می شود.

 

مقالات مرتبط
پیچ‌ها
پیچ‌ها

0 دیدگاه

افزودن دیدگاه


مقالات اخیر گروه