مبدأ عمل “آلة العتلة” وأنواعها

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

آلة العتلة أنواع آلة العتلة مبدأ عمل آلة العتلة الفيزياء

نستخدم العديد من الآلات كي نجعل حياتنا أكثر سهولة.

 وإن أحد أبسط هذه الآلات هي العتلة، التي ما زال الإنسان يستخدمها منذ أقدم العصور، فالعتلات تضاعف القوة وتجعل نقل الأحمال أكثر سهولة.

رأينا في التجربة السابقة أن السطوح المائلة هي عبارة عن آلات بسيطة. ومن بين هذه الآلات البسيطة التي يستخدمها الإنسان لنقل مختلف أشكال الحمولات منذ آلاف السنين هي العتلة.

 

وتعمل العتلات إما من خلال زيادة العزم أو الحركة. تتحرك العتلة حول نقطة ثابتة تسمى نقطة الارتكاز، والتي تمنح العتلة قوتها.

ويتكون أبسط أنواع العتلات من مادة صلبة طويلة كالعمود أو الأنبوب. وهناك أنواع أخرى أكثر تعقيداً، لكنها جميعاً تعمل بطريقة متشابهة.

تخيل عملية نقل كتلة صخرية عن طريق استخدام عمود خشبي كعتلة رفع. عليك أولاً أن تدفع نهاية العمود إلى أسفل الصخرة ثم تضع لوح قرميد تحت العتلة بشكل ملاصق للصخرة. 

 

بحيث تعمل قطعة القرميد كنقطة ارتكاز، ثم تقوم بدفع الجزء السفلي من العمود الأكثر بعداً عن الصخرة.

وبما أن نقطة الارتكاز أقرب إليك من الصخرة، فإن الحركة القوية للعتلة من طرفك تولد حركة صغيرة تحت الصخرة وتجعل عزم التحريك أكثر تأثيراً. إن زيادة العزم يكفي لرفع الصخرة التي يصعب رفعها بيديك.

ويسمى الجسم الذي تقوم العتلة برفعه ”الحمل“، أما القوة التي تستخدمها لتحريك العتلة فتسمى ”الجهد“. (العزم كمية تساوي عددياً حاصل ضرب القوة في المسافة العمودية من نقطة الارتكاز على خط عمل القوة، الجهد في هذه الحالة).

 

الأنواع الثلاثة للعتلات

هناك ثلاثة أنواع من العتلات تساعدنا على تحريك الأحمال، وتعمل هذه الأنواع بطرائق مختلفة.

 

– النوع الأول:

تقع نقطة الارتكاز (المثلث الأخضر) بين الحمل (الطوبة الزرقاء) والجهد (حيث يقوم الشخص بالدفع نحو الأسفل- السهم الأحمر). يعمل النوع الأول من العتلات على تضخيم القوة.

وتعد المطرة المخلبية، التي تستخدم لنزع المسامير من الخشب، أحد أشكال النوع الأول من العتلات. يتم تطبيق الجهد في أعلى مقبض المطرقة.

أما نقطة الارتكاز فتقع في رأس المطرقة (المخلب) والمسمار هو الحمل. ويتألف المقص من عتلتين من النوع الأول تعملان معاً.

وتقع نقطة الارتكاز في المقص عند النقطة التي يتقاطع عندها نصلا المقص. ويُطلق على هذا الشكل العتلات المركبة من النوع الأول.

 

– النوع الثاني:

يقع الحمل في هذا النوع الثاني من العتلات بين نقطة الارتكاز والجهد. تخيل إعادة ترتيب موضع الارتكاز والحمل.

تكون نهاية العتلة في هذه المرة مستندة إلى نقطة الارتكاز، بينما تكون الكتلة الزرقاء واقعة في منتصف المسافة على العتلة. أما الشخص الذي يقوم برفع العتلة (الجهد) فإنه يقف في الجهة المقابلة لنقطة الارتكاز.

 

ولأن الحركة الكبيرة الصادرة عن الجهد تقوم بتحريك الحمل لمسافة أقصر، فإن العزم يصبح أكبر مقداراً. وإن عربة اليد (بدولاب واحد) مثلاً، تتدرج ضمن النوع الثاني من العتلات.

كما تندرج كسّارة البندق ضمن النوع الثاني، حيث تتألف من عتلتين تعملان معاً. وتقع نقطة الارتكاز في مفصل الكسارة، وحبة البندق هي الحمل. إن مثل هذه العتلات هي عتلات مركبة من النوع الثاني.

 

– النوع الثالث:

يضخم النوع الثالث من العتلات الحركة بدلاً من العزم. وإذا أعدنا ترتيب العتلة مرة أخرى، يصبح بإمكاننا بناء النوع الثالث من العتلات.

تخيل أن إحدى نهايتي العتلة تكون مستندة إلى نقطة الارتكاز، كما كان الحال من قبل. ويكون الحمل واقعاً على الطرف الثاني من العتلة.

أما الشخص الذي يقوم بتطبيق الجهد فيكون بين نقطة الارتكاز والحمل، حيث تصنع حركة الجهد حركة أقوى للحمل. وتتضخم الحركة في هذا النوع لكن العزم يكون منخفضاً.

 

ويعد هذا النوع من العتلات مثالياً لرفع الأدوات التي تحتاج إلى التحكم والمعالجة الدقيقة.

ومن الأمثلة على هذا النوع من العتلات هي ”الملاقط“.

 

العتلات الذكية 

تقوم العتلتان من النوع الأول والثاني بتحويل الجهد القليل إلى عزم أكبر من أجل تحريك ونقل الحمل. ولا بدّ أنك لاحظت في أول عتلتين قمت ببنائهما أن الجهد يحرك العتلة لمسافة كبيرة، لكن الحمل لا يتحرك للمسافة نفسها. إن طاقة جهدك تتركز من خلال نقطة الارتكاز على حركة صغيرة تؤدي إلى تضخيم قوة الرفع المُطبَّقة على الحمل.

أما النوع الثالث من العتلات فإنه يعمل على نحو مختلف. عندما يكون الحمل في أحد جوانب الجهد وتكون نقطة الارتكاز في الجانب الآخر، يجب أن يكون الجهد اللازم لتحريك الحمل أكبر.

 

وتقوم نقطة الارتكاز بتكبير الجهد. ولابدّ أنك لاحظت أن قطعة المطاط كانت أكثر تمدداً كلما ابتعدت أكثر عن الحمل واقتربت أكثر من نقطة الارتكاز.

إن ميزة عتلة النوع الثالث هي أنك تستطيع تطبيق العزم بدرجة عالية من التحكم، وهذا مفيد جداً عندما يُطلب منك القيام بأعمال دقيقة مثل تناول الطعام بواسطة الأعواد أو التقاط الأشياء الصغيرة بواسطة الملاقط

 

ابحث عن العتلة 

انظر حولك وتأمل الآلات التي نستخدمها في حياتنا اليومية، وتذكر أن تلك الآلات يمكن أن تكون على درجة عالية من البساطة. لاحظ عدد الآلات التي يمكنك اكتشافها. هل تستطيع تحديد نوع كل منها؟

إن بعض الآلات المعقدة تحوي أكثر من عتلة واحدة. وعندما تشاهد في المرات القادمة موقع بناء، تأمل الآلات وطريقة عملها أو لاحظ عمال الطرقات أثناء إصلاحهم أحد الأرصفة أو الطرقات الرئيسة.

 

ماذا يستخدم هؤلاء العمال من أجل رفع ألواح الرصف الإسمنتية؟ هل تستطيع تحديد نقطة الارتكاز ومدى تأثيرها على الجهد والحمل؟

يمكننا مشاهدة العتلات الضخمة على ظهور البواخر. إن كل شيء على ظهر الباخرة يبدو أضخم مما هو طبيعي، بل إن الأدوات التي تستخدم لتصليح الأعطال تبدو كبيرة. فمفاتيح الشد والربط الضخمة التي يبلغ طولها عدة أقدام، تعمل كعتلات لفك البراغي الكبيرة التي تربط مكونات محرك الباخرة ببعضها.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]