قوة وفعالية الآلة

2008 كتاب المعرفة – العلم والتكنولوجيا

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

الآلة هي أداة تسهّل أداء مهمة ما، وتنطوي كل آلة على قوتين : ‘ الثقل’ ( الوزن) الذي يتوجب على الآلة تحريكه، والجهد ‘ الذي يستخدم لتحريك الثقل.

هناك ستة أنواع من الآلات البسيطة – السطح المائل ( المنحدر )، والرافعة، والإسفين، والبكرة، والمسمار، والعجلة والجزع، وصنعت الآلات الأكثر تعقيداً مثل الرافعات من تجميع آلات بسيطة مع عناصر ميكانيكية أخرى.

تعلمك المزايا الميكانيكية لآلة ما عن مدى فعاليتها، وتحسب هذه الفعالية عن طريق تقسيم الثقل على الجهد.

يتم عمل ما عندما تحرك القوة جسماً وتتحول الطاقة من شكل إلى آخر، مقدار العمل المنجز هو الجهد مضروب في المسافة التي يتحرك عبرها الثقل.

القوة هي المعدل الذي ينجز فيه العمل او الذي تتغير فيه الطاقة من شكل لآخر.

 

البكرة هي عجلة مخددة يلتف حولها حبل لتحريك الثقل.

تغيّر بكرة واحدة الإتجاه الذي يبذل فيه الجهد، فعند سحب الحبل للأسفل يتحرك الثقل إلى الأعلى.

يضم السلم المتحرك إيجابيات نظام البكرة و السطح المائل لحمل الركاب بسلاسة للأعلى، ويتم تصميم درجات السلم لتدور فوق بعضها بينما هي تدور حول البكرات.

 

إن استخدام مجموعة من البكرات، أو الكتلة والحبال، يؤدي بشكل كبير إلى تقليل مقدار الجهد المبذول لرفع الثقل ، ولكنه يزيد المسافه بشكل يتناسب مع الجهد المطلوب بذله.

 

فعالية الآلة

الفعالية هي مقدار العمل الذي تنجزه من آلة ما مقارنةً مع الطاقة التي تضعها في الآلة، وغالباً يعبر عن الفعالية بالنسبة المئوية.

محرك طائرة 10 %

قاطرة بخارية 10 %

محرك سيارة 22 %

توربين بخاري 30 %

محرك ديزل 35 %

 

تقلل العجلة والجزع من الاحتكاك (المقاومة) بين الثقل والسطح الذي تتحرك عليه، فدفع ثقل إلى أعلى منحدر أو سطح مائل يكون أسهل من رفعه عامودياً، والسطح الأكثر إنحداراً يتطلب جهداً أقل ولكن يحتاج الثقل إلى مسافة أطول.

 

يحول الناعور الطاقة الحركية لمجرى المياه إلى طاقة ميكانيكية مفيدة، تسخر لدوران الآلات مثل حجر الرحى، الذي يطحن الحبوب إلى طحين.

 

إن لف حبل حول مجموعة من عجلات البكرات يزيد من القوة المؤثرة على الحبل.

السطح المائل هو سطح منحدر يقلل الجهد المطلوب لرفع ثقل.

الإسفين هو سطح مائل متحرك، و رأس الفأس هو إسفين يزيد القوة ويجعل من قطع الجذوع أمراً ممكناً بجهد أقل.

المسمار اللولبي هو سطح مائل مربوط حول قضيب، وتدوير المسمار يحركه للأمام مع قوة أكبر من الجهد المستخدم في تدويره.

المسنات هي زوج من العجلات المسننة (تروس) ، التي تدور معاً بتناغم لنقل أو تغيير قوة وحركة ما.

عندما يحرك الجزع العجلة، تدار حافة العجلة بجهد قليل لكن تقطع مسافة أكبر، بالمقابل دوران حافة العجلة من شأنها أن تحرك الجزع مسافة أقل لكن بقوة أكبر.

الرافعة هو قضيب معدني يتحرك حول المحور ( نقطة الإرتكاز) وتستخدم دوران القوة لجعل نقل الثقل أسهل.

 

تتألف كسارة البندق من رافعتين، ونقطة الارتكاز هي المفصلة بين الرافعتين، وبضغط كسارة البندق تطبق قوة (جهد) على الذراعين فتكسر البندق (الثقل).

 

يدير ترس كبير (عجلة الترس) ترس أصغر بقوة أقل لكن بسرعة أكبر ويدير ترس صغير ترس أكبر بقوة أكبر ولكن ببطء أكثر، ونسبة المسنه هي عدد المرات التي تعمل بها العجلة المسؤولة عن الدوران على تدوير العجلة الأخرى المدارة.

 

يعمل مفك المسمار الذي يستخدم كرافعة بسيطة لفتح الغطاء عن علبة الطلاء كرافعة بسيطة، حيث تكون نقطة الإرتكاز هي حافة العلبة والثقل هو الغطاء ومعصم يد يقوم ببذل الجهد.

 

مدهش: واحدة من أكبر الآلات في العالم هي الجرّافة اس ام أي سي ، التي تستخدم في المناجم المكشوفه في أستراليا، وتزن 180 طناً و يبلغ ارتفاع عجلاتها 3.5 متراً.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]