انواع ماشین های ساده و کاربردهای آنها
دنیای مدرن سرشار از نمونه هایی از ماشین های پیچیده است که عملکرد آنها به ندرت قابل درک است. کلمه «ماشین» برای توصیف دستگاههای مکانیکی پیچیدهای استفاده میشود که با موتور یا موتور الکتریکی کار میکنند و برای انجام کارهای مفید برای صرفهجویی در کار طراحی شدهاند.
در طول تاریخ، انسان ها انواع مختلفی از ماشین ها را برای کارآمدتر کردن وظایف کاری توسعه داده اند. ماشین آلات در کارخانه ها برای ساده سازی تولید محصولات و بسته بندی محصولات در طول سال ها استفاده می شود. امروزه در انبارهای غول پیکر تولیدی از ماشین آلات کارخانه برای حمل محصولات استفاده می شود. با این حال، همه ماشینها را میتوان به چند جزء ساده که دارای قطعات متحرک یا کم هستند، تقسیم کرد.
ماشینهای ساده ابزارهای مکانیکی اساسی هستند که قرنها برای کمک به انجام کارها به ما کمک میکنند. این ابزارهای ضروری آموزشگاه فنی اساس بسیاری از اختراعات و ماشین های امروزی را تشکیل می دهند و آنها را برای پیشرفت تکنولوژی ضروری می سازند. در این مقاله، ما عمیقاً در دنیای ماشینهای ساده غوطهور میشویم و اصول، کاربردها و راههای جذابی که آنها به زندگی ما ادامه میدهند را بررسی میکنیم. در این مطلب با ماشین های ساده و انواع آن بیشتر آشنا خواهیم شد
ماشین چیست
کلمه ماشین در دو زبان یونانی و رومی ریشه دارد. کلمه یونانی “machos” به معنای “مصلحت” یا چیزی است که “کار را آسان می کند”. رومی ها درک مشابهی از کلمه “machina” دارند که به معنای “ترفند” یا “دستگاه” است.
هدف اساسی که اکثر ماشین های ساده برای آن طراحی می شوند، کاهش تلاش (نیروی) مورد نیاز برای انجام یک کار ساده است. برای دستیابی به این هدف، نیروی اعمال شده باید در مسافت یا مدت زمان طولانی تری عمل کند و در نتیجه همان مقدار کار توسط نیروی کمتری انجام شود. پیچها، اهرمها و سطوح شیبدار بهگونهای طراحی شدهاند که فاصلهای را که نیروی کاهشیافته در آن اعمال میشود، افزایش میدهد تا بتوانیم با تلاش کمتری فشار دهیم یا بکشیم. اثر این طراحی اغلب به عنوان ارائه “مزیت مکانیکی” نامیده می شود.
اصطلاح “ماشین ساده” معمولاً توسط دانشمندان برای اشاره به یکی از شش نوع مختلف دستگاه استفاده می شود که اغلب برای تشکیل ماشین های پیچیده تر ترکیب می شوند.
تعریف ماشین ساده
ما معمولاً از کلمه “ماشین” برای اشاره به یک دستگاه مکانیکی پیچیده استفاده می کنیم که توسط یک موتور نیرو می گیرد که با استفاده علمی ما از اصطلاح “ماشین ساده” بسیار متفاوت است. ماشینهای ساده به این دلیل مفید هستند که تلاش را کاهش میدهند یا توانایی افراد را برای انجام وظایف فراتر از قابلیتهای عادی خود افزایش میدهند. ماشین های ساده ای که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از چرخ و محور، قرقره، صفحه شیبدار، پیچ، گوه و اهرم. در حالی که ماشینهای ساده ممکن است نیروهایی را که میتوان به آنها اعمال کرد، بزرگنمایی یا کاهش دهند، اما مقدار کل کار مورد نیاز برای انجام کار کلی را تغییر نمیدهند.
ماشین ساده وسیله ای است که فقط شامل چند قطعه متحرک است که می توان جهت یا مقدار نیروی وارد شده به آن را تغییر داد. ماشینهای ساده دستگاههایی هستند که برای ضرب یا افزایش نیروی اعمالی استفاده میشوند (گاهی اوقات به قیمت فاصلهای که از طریق آن نیرو اعمال میکنیم). انرژی همچنان برای این دستگاهها حفظ میشود، زیرا یک ماشین نمیتواند بیشتر از انرژی صرف شده در آن کار کند. با این حال، ماشین ها می توانند نیروی ورودی مورد نیاز برای انجام کار را کاهش دهند. نسبت خروجی به مقدار نیروی ورودی هر ماشین ساده ای مزیت مکانیکی آن (MA) نامیده می شود.
یک ماشین با یک یا چند مورد از عملکردهای زیر کار را آسان تر می کند:
- انتقال نیرو از مکانی به مکان دیگر
- تغییر جهت یک نیرو
- افزایش بزرگی یک نیرو
- افزایش فاصله یا سرعت یک نیرو
اصول ماشین های ساده
مشابه به انتقال سیال در آموزش پایپینگ، منظور از ماشین این است که به سادگی کار مکانیکی را از یک قسمت دستگاه به قسمت دیگر منتقل کند. از آنجایی که یک ماشین نیرو تولید می کند، جهت و حرکت نیرو را نیز کنترل می کند، اما نمی تواند انرژی ایجاد کند. توانایی یک ماشین برای انجام کار با دو عامل سنجیده می شود: مزیت مکانیکی و کارایی.
- مزیت مکانیکی: در ماشین هایی که فقط انرژی مکانیکی را انتقال می دهند، نسبت نیروی وارد شده توسط ماشین به نیروی وارد شده به ماشین به عنوان مزیت مکانیکی شناخته می شود. با مزیت مکانیکی، فاصله بار جابجا شده تنها کسری از فاصله ای است که تلاش می شود. هیچ ماشینی نمی تواند بیشتر از کار مکانیکی که در آن قرار داده شده است، کار مکانیکی انجام دهد.
- بهره وری: کارایی یک ماشین فقط نسبت بین کاری که عرضه می کند و کاری است که برای آن انجام می شود. حتی اگر اصطکاک را می توان با روغن کاری هر قسمت کشویی یا چرخشی کاهش داد، همه ماشین ها اصطکاک ایجاد می کنند.
- حفاظت انرژی: اگر از اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک چشم پوشی کنیم، کار انجام شده روی یک ماشین ساده مانند کاری است که ماشین برای انجام نوعی کار انجام می دهد.
ماشین ایده آل
- ماشین ایده آل تحت تأثیر اصطکاک قرار نمی گیرد.
- یک ماشین ایده آل ماشینی است که کارایی 100% داشته باشد.
- کار ورودی همیشه با کار خروجی در این نوع ماشین ها برابر است.
- در عمل، هیچ ماشینی بدون اصطکاک نیست، بنابراین این یک ماشین کاربردی نیست.
انواع ماشین های ساده
ماشین های ساده می توانند مقدار یا جهت یک نیرو را تغییر دهند. به طور خاص، ماشین های ساده دستگاه هایی هستند که از اهرم مکانیکی برای ضرب نیرو استفاده می کنند. با به حداکثر رساندن نیروی خروجی که توسط اهرم ایجاد می شود، وظایف خاصی کارآمدتر و راحت تر انجام می شود. نسبت بین نیروی ورودی و خروجی به عنوان مزیت مکانیکی شناخته می شود و این مزیت است که کارایی یک ماشین ساده را تعیین می کند. شش ماشین ساده شناخته شده وجود دارد: اهرم، چرخ و محور، قرقره، صفحه شیبدار، گوه و پیچ. آنها بلوکهای اولیه ساختمانی هستند که با هم ترکیب میشوند تا ماشینهای پیچیدهتری را تشکیل دهند، مانند مکانیسم دوچرخه، که شامل یک قرقره، اهرمها و چرخها است.
ماشینهای ساده را میتوان به دو دسته تقسیم کرد که هر کدام روش کار منحصر به فرد خود را دارند:
- ماشین های تعادل گشتاور
• این دستگاه ها برای عملکرد موثر به گشتاورهای متعادل کننده متکی هستند.
• به عنوان مثال می توان به چرخ، اهرم و قرقره اشاره کرد.
- ماشینهای نیروی وضوح بردار
• این ماشین ها برای انجام وظایف خود به وضوح بردار نیرو وابسته هستند.
• نمونه ها شامل گوه، پیچ، و صفحه شیبدار هستند.
با بررسی این دستگاههای پایه، میتوانیم اصول مکانیکی زیربنای طیف گستردهای از فناوریها را بهتر درک کنیم و الهامبخش برنامهها و نوآوریهای جدید در مهندسی باشیم.
اهرم
اهرم یکی از ابتدایی ترین و همه کاره ترین ماشین های ساده است. در هسته خود، یک اهرم از یک میله صلب تشکیل شده است که حول نقطه ثابتی به نام تکیه گاه می چرخد. این وسیله ساده می تواند نیرو را تقویت کند، جهت نیرو یا حتی هر دو را به طور همزمان تغییر دهد. با تغییر موقعیت تلاش، بار و تکیه گاه، می توانیم سه کلاس مختلف اهرم ایجاد کنیم.
- اهرم درجه یک: در یک اهرم درجه یک، تکیه گاه بین تلاش و بار قرار می گیرد. نمونه هایی از اهرم های درجه یک عبارتند از الاکلنگ، قلاب و قیچی. این ابزارها به گونه ای طراحی شده اند که کارهایی مانند بلند کردن اجسام سنگین یا برش مواد را با افزایش مزیت مکانیکی آسان تر کنند.
- اهرم درجه دو: در اهرم های درجه دو، بار بین تکیه گاه و تلاش قرار می گیرد. چرخ دستی، فندق شکن و بطری بازکن همگی نمونه هایی از اهرم های درجه دو هستند. این ماشینها به دلیل تواناییشان در افزایش نیرو شناخته میشوند و بلند کردن یا خرد کردن اجسام را با تلاش کمتر آسانتر میکنند.
- اهرم درجه سه: در یک اهرم درجه سه، تلاش بین تکیه گاه و بار قرار می گیرد. ابزارهایی مانند موچین، میله های ماهیگیری و بازوهای خودمان نمونه هایی از اهرم های درجه سه هستند. این دستگاه ها برای افزایش سرعت و دامنه حرکت، به جای ضرب نیرو، ایده آل هستند.
اگرچه اهرم ها می توانند بسیار مفید باشند، اما محدودیت هایی نیز دارند. به عنوان مثال، افزایش مزیت مکانیکی در یک سیستم اهرمی اغلب به بازوی اهرمی طولانیتری نیاز دارد که در شرایط خاص میتواند دست و پا گیر باشد. شش نوع ماشین ساده کلاسیک کار را آسانتر میکنند و دارای قطعات متحرک کم یا بدون قطعات هستند: گوه، پیچ، قرقره، صفحه شیبدار، اهرم، محور و چرخ (دنده).
چرخ و محور
چرخ و اکسل نوع دیگری از ماشین های ساده دوره مهندسی مکانیک است که در شکل دادن به تاریخ بشر موثر بوده است. این شامل دو جسم دایره ای با اندازه های مختلف – یک چرخ بزرگتر و یک محور کوچکتر – است که به گونه ای به هم متصل شده اند که با هم می چرخند. این تنظیم باعث کاهش قابل توجه اصطکاک می شود و حرکت اجسام یا ایجاد حرکت چرخشی را آسان تر می کند.
یکی از قابل تشخیص ترین کاربردهای چرخ و محور، صنعت حمل و نقل است. از دوچرخه و ماشین گرفته تا قطار و هواپیما، چرخ ها برای تسهیل حرکت در فواصل بسیار ضروری بوده اند. از دیگر کاربردهای عملی می توان به دستگیره در، آچار و چرخ دنده اشاره کرد. با این حال، سیستم چرخ و اکسل خالی از اشکال نیست. به عنوان مثال، حفظ کشش روی سطوح لغزنده ممکن است دشوار باشد، و سیستم اغلب در هنگام برخورد با بارهای سنگین یا زمین ناهموار کارایی کمتری دارد.
قرقره
قرقره ها ماشین های ساده ای هستند که از چرخ و طناب برای بلند کردن یا جابجایی آسان اجسام استفاده می کنند. قرقره چرخی با شیار و طناب در شیار است. هنگامی که از قرقره برای بلند کردن یا پایین آوردن اجسام سنگین استفاده می شود، شیار به نگه داشتن طناب در جای خود کمک می کند. نیروی رو به پایین چرخ را با طناب می چرخاند و بار را در انتهای دیگر به سمت بالا می کشد. یک قرقره همچنین می تواند اشیا را از مناطق پایین به مناطق بالاتر منتقل کند. یک قرقره دارای یک چرخ است که به شما امکان می دهد جهت یک نیرو را تغییر دهید. همانطور که طناب را پایین می کشید، چرخ می چرخد و هرچه به سر دیگر وصل است بالا می رود. ممکن است با دیدن پرچم برافراشته شده بر روی تیرک، سیستم قرقره ای را بشناسید. سه نوع قرقره وجود دارد: مرکب ثابت و متحرک. هر سیستم قرقره به نحوه ترکیب چرخ و طناب بستگی دارد. آسانسورها، بالابرهای بار، چاه ها و تجهیزات ورزشی نیز از قرقره برای عملکرد استفاده می کنند.
با تغییر چینش قرقره ها و نحوه استفاده از آنها می توان انواع سیستم های قرقره را ایجاد کرد.
- قرقره ثابت: قرقره ثابت یک قرقره منفرد است که به یک نقطه ثابت متصل می شود. در حالی که مزیت مکانیکی ایجاد نمی کند، جهت تلاش را تغییر می دهد و کارهایی مانند برافراشتن پرچم یا بلند کردن درب گاراژ را قابل کنترل تر می کند.
- قرقره متحرک: قرقره متحرک یک قرقره منفرد است که همراه با بار در حال برداشتن حرکت می کند. این نوع قرقره مزیت مکانیکی دارد و بلند کردن اجسام سنگین را با تلاش کمتر آسانتر میکند.
- قرقره مرکب: قرقره مرکب ترکیبی از قرقره های ثابت و متحرک است که اغلب در یک پیکربندی بلوک و تکل چیده شده اند. این راهاندازی مزیت مکانیکی بیشتری را فراهم میکند و امکان بلند کردن بارهای سنگین را بدون دردسر فراهم میکند.
قرقره ها در کاربردهای عملی مختلف، از سایت های ساخت و ساز و آسانسور گرفته تا تجهیزات سالن بدنسازی و سیستم های سکوی نمایشی مورد استفاده قرار می گیرند. در حالی که قرقره ها مزایای قابل توجهی در بلند کردن و جابجایی اجسام دارند، محدودیت هایی نیز دارند. به عنوان مثال، با افزایش مزیت مکانیکی، مقدار طناب مورد نیاز نیز افزایش مییابد که در شرایط خاص میتواند ناخوشایند باشد.
سطح شیب دار
صفحه شیب دار یک ماشین ساده است که از یک سطح صاف تشکیل شده است که در زاویه ای نسبت به افقی قرار گرفته است. با گسترش نیروی مورد نیاز برای بلند کردن یک جسم در مسافت بیشتری، صفحات شیب دار حرکت اجسام را به سمت بالا یا پایین آسان تر می کنند. سطح شیبدار یک ماشین ساده بدون قطعات متحرک است. یک سطح شیبدار، جابجایی اشیاء را به سطوح بالاتر یا پایین تر از زمانی که مستقیماً اجسام را بلند می کردیم، برای ما آسان تر می کند. یک سطح شیبدار همچنین می تواند به شما در جابجایی اجسام سنگین کمک کند
کارایی یک صفحه شیبدار به عواملی مانند زاویه شیب و اصطکاک سطح بستگی دارد. نمونه هایی از صفحات شیب دار در کاربردهای عملی شامل رمپ ها، راه پله ها و حتی رزوه های روی یک پیچ هستند.
در حالی که سطح شیب دار چندین مزیت از جمله سهولت در جابجایی اجسام سنگین و کاهش نیاز به بلند کردن دارند، محدودیت هایی نیز دارند. به عنوان مثال، هر چه صفحه شیبدار طولانیتر باشد، فضای بیشتری را اشغال میکند، که میتواند در مناطق محدود مشکلساز باشد. اگر شیب تند نباشد، مزیت مکانیکی بیشتری دارد زیرا نیروی کمتری برای حرکت دادن یک جسم به بالا یا پایین شیب مورد نیاز است.
گوه
گوه نوع دیگری از ماشین های ساده است که بر اساس اصل صفحه شیب دار کار می کند. این شامل دو صفحه شیبدار است که پشت به پشت به هم وصل شده اند و یک لبه تیز را تشکیل می دهند. گوه ها برای جدا کردن یا محکم کردن اجسام با اعمال نیرو به یک ناحیه کوچک استفاده می شوند.
گوه ماشین ساده ای است که برای شکافتن یک ماده استفاده می شود. گوه ابزاری مثلثی شکل و صفحه شیبدار قابل حمل است. گوه می تواند برای جدا کردن دو جسم یا قسمتی از یک جسم، بلند کردن یک شی یا نگه داشتن یک شی در جای خود استفاده شود. گوه ها را می توان در بسیاری از ابزارهای برش مانند چاقو، تبر یا قیچی مشاهده کرد. با استفاده از مثال تبر، وقتی انتهای نازک گوه را روی یک کنده میگذارید، میتوانید با چکش به آن ضربه بزنید. گوه جهت نیرو را تغییر می دهد و کنده را از هم جدا می کند.
انواع مختلفی از گوه ها از جمله گوه های شکافنده برای شکافتن چوب استفاده می شود. بریدن گوه ها مانند چاقو و اسکنه. و محکم کردن گوه ها، مانند درب ها و شیلنگ ها. با وجود مفید بودن، گوه ها محدودیت هایی نیز دارند. به عنوان مثال، ممکن است به مرور زمان کدر یا آسیب ببینند و استفاده نامناسب از آنها می تواند باعث آسیب به موادی شود که روی آن کار می شود.
به خاطر داشته باشید که هرچه گوه بلندتر و نازک تر یا تیزتر باشد، کارآمدتر است. این بدان معناست که مزیت مکانیکی نیز بالاتر خواهد بود. این به این دلیل است که مزیت مکانیکی گوه با نسبت طول شیب آن به عرض آن داده می شود. اگرچه یک گوه کوتاه با زاویه باز ممکن است کار را سریعتر انجام دهد، اما به نیروی بیشتری نسبت به یک گوه بلند با زاویه باریک نیاز دارد.
انواع مختلفی از گوه ها برای سهولت کار از بسیاری جهات استفاده می شود. به عنوان مثال، در دوران ماقبل تاریخ از گوه ها برای ساخت نیزه برای شکار استفاده می شد. امروزه از گوه ها در خودروها و جت های مدرن استفاده می شود. آیا تا به حال متوجه بینی های نوک تیز در ماشین های تندرو، قطار یا قایق های تندرو شده اید؟ این گوهها هوا را از بین میبرند و مقاومت هوا را کاهش میدهند و ماشین را سریعتر میکنند.
پیچ
پیچ ماشین ساده ای است که اصول صفحه شیب دار و اهرم را در خود جای داده است. این شامل یک محور استوانه ای با یک شیار مارپیچ به نام نخ است که در طول شفت می پیچد. با چرخاندن پیچ، رزوه حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل میکند و امکان اعمال کنترلشده نیرو را فراهم میکند. پیچ یک صفحه شیبدار است که دور یک میله مرکزی پیچیده شده است. معمولاً یک عضو استوانهای دایرهای با یک دنده مارپیچ پیوسته است که به عنوان یک بست یا به عنوان اصلاح کننده نیرو و حرکت استفاده میشود. پیچ مکانیزمی است که حرکت دورانی را به حرکت خطی و گشتاور را به نیروی خطی تبدیل می کند.
پیچ ها در کاربردهای عملی مختلف، از بستن اجسام به یکدیگر گرفته تا بلند کردن بارهای سنگین با جک پیچ استفاده می شوند. آنها همچنین در ماشین های پیچیده تر مانند موتورهای اتومبیل و بال هواپیما استفاده می شوند.
در حالی که پیچ ها مزایای زیادی دارند، محدودیت هایی نیز دارند. به عنوان مثال، آنها می توانند در طول زمان دچار ساییدگی و پارگی شوند که به طور بالقوه منجر به کاهش کارایی یا شکست می شود. علاوه بر این، پیچ ها برای عملکرد موثر نیاز به ساخت دقیق و نصب مناسب دارند.
ممکن است هنگام استفاده از پیچ متوجه شوید که اگر فاصله رزوه کوچکتر باشد، راندن آن در یک جسم آسان تر است. تلاش کمتر اما چرخش بیشتری می طلبد. یا اگر فضای بین رزوه ها وسیع تر باشد، سوراخ کردن پیچ در یک جسم سخت تر است. تلاش بیشتر اما نوبت کمتری می طلبد. مزیت مکانیکی پیچ به فضای بین رزوه ها و ضخامت پیچ بستگی دارد. این به این دلیل است که هرچه رزوه ها نزدیکتر باشند، مزیت مکانیکی بیشتر است.
ترکیب ماشینهای ساده: ماشینهای مرکب
ماشین های مرکب دستگاه هایی هستند که دو یا چند ماشین ساده را برای انجام یک کار خاص ترکیب می کنند. با استفاده از چندین ماشین ساده در کنار هم، ماشینهای مرکب میتوانند کارایی، مزیت مکانیکی یا تطبیقپذیری بیشتری نسبت به اجزای جداگانهشان به دست آورند.
نمونههایی از ماشینهای مرکب در زندگی روزمره عبارتند از دوچرخهها، که دارای اهرمها (پدال و ترمز)، سیستمهای چرخ و محور (چرخها و چرخ دندهها) و قرقرهها (زنجیره و چرخ دنده) هستند. و جک های ماشین که هم از اهرم و هم از مکانیزم پیچ استفاده می کنند. این ماشینهای ترکیبی اهمیت ماشینهای ساده را در فناوری مدرن برجسته میکنند و نشان میدهند که چگونه آنها همچنان نقش مهمی در زندگی روزمره ما دارند.
با کاوش در دنیای شگفتانگیز ماشینهای ساده، به درک عمیقتری از اصول مکانیکی که زیربنای بسیاری از فناوریهایی است که امروز به آن وابسته هستیم، دست مییابیم. این دانش نه تنها به ما کمک می کند تا از نبوغ نوآوری انسان قدردانی کنیم، بلکه الهام بخش ما برای ادامه کاوش در برنامه های کاربردی و نوآوری های جدید در مهندسی مکانیک است.
همانطور که ما به کاوش در قلمرو ماشینهای ساده و کاربردهای آنها ادامه میدهیم، به طور فزایندهای روشن میشود که این دستگاههای اساسی پایهای هستند که بسیاری از فناوریهای مدرن ما بر آن ساخته شدهاند. با تسلط بر اصول اهرمها، سیستمهای چرخ و محور، قرقرهها، صفحات شیبدار، گوهها و پیچها، میتوانیم قدردانی عمیقتری از شگفتیهای مهندسی که روزانه ما را احاطه میکنند، داشته باشیم.
علاوه بر این، درک ماشینهای ساده، دری را به روی دنیای خلاقانه حل مسئله و نوآوری باز میکند. به عنوان مثال، اختراعات بیشماری را در نظر بگیرید که از ترکیب و تجسم مجدد ماشینهای ساده مانند جرثقیل، پله برقی و بازوهای روباتیک پدید آمدهاند. این ماشین های ترکیبی پتانسیل بی حد و حصر نبوغ انسانی را هنگامی که دانش خود را در مورد اصول مکانیکی به کار می گیریم به نمایش می گذارند.
همچنین شایان ذکر است که ماشین های ساده می توانند به عنوان یک نقطه ورود عالی به دنیای مهندسی و فیزیک عمل کنند. با کاوش در این دستگاههای اساسی، میتوانیم حس کنجکاوی را برای داخل پرورش دهیم.
منابع:
https://www.crestcapital.com/tax/simple_machines
https://www.education.vic.gov.au/school/teachers/teachingresources/discipline/science/continuum/Pages/simpmachines.aspxhttps://www.studysmarter.co.uk/explanations/physics/torque-and-rotational-motion/simple-machines/