انواع اهرم با مثال – اهرم نوع اول، نوع دوم و نوع سوم – به زبان ساده

در این مطلب از مجله فرادرس درباره انواع اهرم صحبت می‌کنیم. اهرم‌ها ماشین‌های ساده‌ای هستند که انجام کار را راحت‌تر می‌کنند. انواع اهرم را می‌توان بسته به مکان نیروی محرک، نیروی مقاوم و تکیه گاه به سه دسته تقسیم کرد. در این مطلب انواع اهرم را معرفی می‌کنیم و ویژگی‌های هر نوع را بیان خواهیم کرد.

ماشین ساده چیست؟

ماشین‌های ساده ابزار مکانیکی هستند که انجام کار را آسان‌تر می‌کنند. ترکیبی از دو یا چند ماشین ساده که با هم کار می‌کنند یک ماشین مرکب می‌سازد. این ماشین‌ها زمانی که نیرو به یک جسم وارد می‌شود، انواع مختلفی از حرکت را پدید می‌آورند. هر دو نوع ماشین‌های ساده و مرکب انجام کار فیزیکی را با تغییر جهت و اندازه نیرو آسان‌تر می‌کنند. به صورت کلی شش نوع ماشین ساده وجود دارد که عبارتند از:

• اهرم
• چرخ و محور
• قرقره
• سطح شیبدار
• گوه و پیچ

در این مطلب بر روی اهرم تمرکز می‌کنیم و ویژگی‌ها و انواع اهرم را بررسی می‌کنیم.

اهرم چیست؟

اهرم یک ماشین ساده است که از یک جسم سخت و یک تکیه گاه تشکیل شده است. نیرو وارد شده یا نیروی ورودی و بار که به عنوان نیروی خروجی عمل می‌کند بر روی اهرم اثر می‌کنند. تکیه گاه نقطه‌ای است که اهرم حول آن می‌چرخد. وقتی نیرو به یک سمت اهرم وارد می‌شود، این نیرو به سمت دیگر اهرم یعنی بار منتقل می‌شود و باعث حرکت بار به سمت بالا می‌شود.

عملکرد اهرم‌ها به اصل و تعریف گشتاور وابسته است. گشتاور مقدار نیروی لازم برای چرخش یک جسم حول محور یا تکیه گاه است.

مزیت مکانیکی چیست؟

اهرم یک مزیت مکانیکی ایجاد می‌کند. مزیت مکانیکی اشاره به این دارد که یک ماشین ساده چگونه از یک نیروی ورودی استفاده می‌کند. مکان اعمال نیرو، بار و تکیه گاه نوع اهرم و میزان مزیت مکانیکی ماشین را مشخص می‌کند. هر چه فاصله بین نیروی وارد شده و تکیه گاه بیشتر باشد، حرکت بار یا جسمی که قصد حمل آن را داریم آسان‌تر می‌شود. مزیت مکانیکی را می‌توان توسط رابطه زیر تعریف کرد و داریم:

$$\large \color{purple} {Mechanical\ Advantage}=\frac{\color{blue}{Effort}\ (input\ force)}{\color{red}{Load}\ (output\ force)}=\frac{Distance\ from\ \color{blue}{Effort}\ to\ Fulcrum}{Distance\ from\ \color{red}{Load}\ to\ Fulcrum}$$

در حقیقت اگر فاصله بین نیرویی که وارد می‌کنیم و تکیه گاه بیشتر از فاصله بین بار و تکیه گاه باشد، اهرم دارای مزیت مکانیکی است. به بیان دیگر نسبت بین این دو فاصله باید بزرگتر از یک باشد تا اهرم مزیت مکانیکی داشته باشد.

تحلیل فیزیکی این بیان این است که اگر فاصله بین نقطه‌ای که می‌خواهیم نیرو وارد کنیم و تکیه گاه بلند و فاصله بین بار و تکیه گاه کوتاه باشد، مقدار بسیار کم نیرو باعث حرکت بار بسیار بزرگی می‌شود.

گشتاور چیست؟

همان طور که گفتیم اساس کار اهرم‌ها گشتاور است. در این بخش به اختصار در مورد گشتاور صحبت می‌کنیم. برای آشنایی بیشتر با گشتاور و ویژگی‌های آن مطلب گشتاور چیست؟ – به زبان ساده را در مجله فرادرس مطالعه کنید. به طور کلی می‌توان گفت گشتاور اندازه نیرویی است که می‌تواند باعث چرخش یک جسم در اطراف یک محور شود. همانطور که نیرو باعث سرعت بخشیدن به یک جسم در سینماتیک خطی می‌شود، گشتاور نیز همان چیزی است که باعث می‌شود جسم شتاب زاویه‌ای پیدا کند. گشتاور یک بردار است. جهت بردار گشتاور بستگی به جهت نیرو در محور دارد.

هر کسی که تا به حال یک در را باز کرده است درک درستی از گشتاور دارد. هنگامی که شخص درب را باز می‌کند، از کنار لولا به در فشار می‌آورد. هل دادن در نزدیک به لولاها به نیروی قابل توجهی نسبت به فاصله دورتر از لولاها نیاز دارد، اگرچه کار انجام شده در هر دو مورد یکسان است اما در حقیقت نیروی بیشتری در مسافت کمتر از تکیه گاه اعمال می‌شود. به این ترتیب چون مردم معمولاً ترجیح می‌دهند نیروی کمتری وارد کنند، از این رو محل معمول دستگیره در در دورترین فاصله از لولا است.

گشتاور می‌تواند استاتیک یا دینامیک باشد. گشتاور استاتیکی گشتاوری است که شتاب زاویه ای تولید نمی‌کند. شخصی که درب بسته را فشار می‌دهد گشتاور ایستایی را به درب وارد می‌کند زیرا با وجود نیرویی که وارد می‌شود درب دور لولاهای خود نمی‌چرخد. کسی که با سرعت ثابت رکاب دوچرخه را می‌زند نیز گشتاور ایستایی اعمال می‌کند زیرا تغییرات سرعت ندارد و شتاب نمی‌گیرد.

میل لنگ در یک اتومبیل مسابقه‌ای که از خط شروع شتاب می‌گیرد یک گشتاور دینامیک را ایجاد می‌کند زیرا با توجه به شتاب گرفتن ماشین در مسیر، باید شتاب زاویه‌ای چرخ‌ها را تولید کند.

اصطلاحاتی که هنگام توصیف گشتاور استفاده می‌شود می‌تواند گیج کننده باشد. بعضی اوقات مهندسان از اصطلاح مومنت یا نیرو مومنت به جای گشتاور استفاده می‌کنند. به شعاعی که نیرو در آن عمل می‌کند نیز گاهی بازوی مومنت گفته می‌شود.

گشتاور چگونه محاسبه می شود؟

مقدار بردار گشتاور $$\tau$$ برای گشتاوری که توسط یک نیروی معین F تولید می‌شود برابر است با:

$$\large \tau=F.r \sin (\theta)$$

که $$r$$ طول بازوی مومنت است و $$\theta$$ زاویه بین بردار نیرو و بازوی مومنت است. در مورد در نشان داده شده در تصویر بالا، زاویه بین نیرو و بازو 90 درجه است در نتیجه $$\sin$$ این زاویه برابر با 1 است و داریم:

$$\large \tau=F.r$$

جهت بردار گشتاور با استفاده از قانون دست راست مشخص می‌شود. اگر انگشتان دست را حول محور چرخش قرار دهیم به طوری که انگشتان در جهت نیرو باشند، جهت انگشت شصت در جهت گشتاور است. این موضوع در شکل زیر نمایش داده شده است.

یک اهرم از چه قسمت‌هایی تشکیل شده است؟

یک اهرم چهار قسمت اصلی دارد که شامل تخته یا میله، تکیه گاه یا پیوت، نیروی ورودی یا نیروی محرک و بار یا نیروی مقاوم هستند. میله اهرم به سادگی می‌تواند یک تخته چوبی، فلزی یا هر جنس دیگری که سخت است، باشد که آزادانه می‌تواند حول پیوت یا تکیه گاه گردش کند. این ابزارها ماشین‌های ساده‌ای هستند که در بسیاری از مکان‌ها می‌توانید آن‌ها را ببینید.

وقتی که یک سمت اهرم را به سمت پایین حرکت می‌دهید یک نیروی محرک وارد می‌کنید، در این حالت اهرم حول تکیه گاه حرکت می‌کند و یک نیرو به بار وارد می‌شود. اهرم‌ها انجام کار را با افزایش نیروی محرک و تغییر جهت این نیرو آسان‌تر می‌کنند.

اجزای اهرم همواره با یک ترکیب ثابت و مشخص قرار ندارند و نیروی مقاوم یا بار، نیروی محرک و ورودی و تکیه گاه ممکن است در مکان‌های مختلفی بر روی اهرم قرار بگیرند. این موضوع سبب می‌شود که اهرم‌ها را به سه دسته کلی تقسیم بندی کنیم. در ادامه سه دسته مختلف اهرم‌ها را معرفی می‌کنیم.

اصول اهرم‌ها چیست؟

با آزمایش این نتیجه به دست آمده است که دو نیروی برابر که خلاف جهت هم اثر می‌کنند (یعنی ساعتگرد و پادساعتگرد)، در یک اهرم ثابت که هر دو نیرو در فواصل یکسان از تکیه گاه هستند یک تعادل یا حالت ثابت را در اهرم به وجود می‌آورند.

این آزمایش همچنین نشان می‌دهد که نیروهای نابرابر در جهت‌های مخالف هم حرکت می‌کنند. در این حالت زمانی تعادل به وجود می‌آید که حاصلضرب اندازه یک نیرو در بازوی محرک یا بازوی اهرم (فاصله میان نقطه اعمال نیرو تا تکیه گاه) برابر با حاصلضرب اندازه نیروی دیگر در بازوی آن باشد.

در فیزیک حاصلضرب نیرو در بازوی نیرو برابر با گشتاور نیرو است. بر اساس قوانین فیزیکی و بر اساس قانون گشتاور، تعادل زمانی برقرار است که مجموع گشتاور نیروهایی که خلاف جهت حرکت ساعت اعمال می‌شوند برابر با مجموع گشتاور نیروهایی که در جهت حرکت ساعت اعمال می‌شوند، باشد. به همین دلیل احتمال دارد که بتوانیم برای غلبه بر یک نیروی بزرگ در یک فاصله نزدیک به تکیه گاه از یک نیروی کوچک در یک فاصله بزرگ از تکیه گاه استفاده کنیم. شواهد تاریخی نشان می‌دهد که ارشمیدس در زمان حیات خود ادعا می‌کرد که می‌تواند با ایستادن در نقطه‌ای، عالم را به حرکت درآورد.

تعادل در اهرم‌ها چگونه است؟

تصور کنید دو جسم بر روی یک اهرم در یک تکیه گاه به صورت متعادل قرار گرفته‌اند. در این وضعیت می‌بینیم که چهار کمیت اصلی قابل اندازه گیری است که این موارد عبارتند از:

• $$M_1$$ جرم در یک انتهای اهرم (نیروی محرک)
• a فاصله از نقطه تکیه گاه تا جرم $$M_1$$
• $$M_2$$ جرم در انتهای دیگر اهرم (نیروی مقاوم)
• b فاصله از تکیه گاه تا جرم $$M_2$$

در اینجا اهرمی که بررسی می‌کنیم یک اهرم ایده‌آل است و در نتیجه هیچ نیروی اصطکاکی بین اهرم و تکیه گاه وجود ندارد و هیچ نیروی دیگری مانند وزش نسیم نیز وجود ندارد که این حالت تعادل را به هم بزند.

مردم با این پارامترها از قبل و زمانی که وزنه و ترازو وارد تجارت و کسب و کار شد آشنایی دارند. اگر فاصله‌ها از تکیه گاه یکسان باشند (یعنی از لحاظ ریاضی $$a=b$$ باشد) در صورت یکسان بودن وزنه‌ها (یعنی $$M_1=M_2$$) اهرم در حالت تعادل خواهد بود. اگر وزن هر یک از وزنه‌ها را در یک اهرم متعادل بدانید به راحتی می‌توانید وزن جسم دیگر در طرف مقابل اهرم را با اطمینان عنوان کنید.

وقتی a برابر با b نباشد شرایط بسیار جالب می‌شود. در این شرایط آنچه ارشمیدس کشف کرد این بود که برای حفظ تعادل بین حاصلضرب جرم و فاصله دو طرف اهرم رابطه ریاضی دقیقی وجود دارد، در حقیقت داریم:

$$\large M_1 a=M_2 b$$

با استفاده از این فرمول می‌توان مشاهده کرد که اگر فاصله یک طرف اهرم را دو برابر کنیم، برای حفظ تعادل باید جرم را نصف کنیم. یعنی داریم:

$$\large a=2b$$

$$\large M_1 a=M_2b$$

$$\large M_1(2b)=M_2(b)$$

$$\large 2M_1=M_2$$

$$\large M_1= 0.5 M­_2$$

این مثال بر اساس قرار گرفتن جسم بر روی اهرم بنا شده است اما این جرم می‌تواند با هر چیزی که به اهرم نیروی فیزیکی وارد می‌کند، از جمله فشار دست یک فرد جایگزین شود. این مثال بیشتر برای این است که یک درک شهودی از اهرم و تعادل اهرم‌ها داشته باشید. حال در مثال بالا فرض کنید $$M_2$$ برابر با 1000 کیلوگرم باشد، در این حالت برای ایجاد تعادل در اهرم، $$M_1$$ باید نصف شود و برابر با 250 کیلوگرم باشد. همچنین اگر $$a=4b$$ باشد، برای حفظ تعادل در اهرم با وزنه 1000 کیلوگرمی، باید در طرف مقابل وزنه 250 کیلوگرمی قرار دهید. بدین ترتیب می‌توانید در اهرم تعادل ایجاد کنید.

شاید اینجا باشد که بتوانید واژه اهرم را در اقتصاد یا سیاست نیز درک کنید، یعنی استفاده نسبتاً کمتری از قدرت برای به دست آوردن مزیتی به مراتب بزرگتر و با درجه اهمیت بیشتر.

انواع اهرم ها چه هستند؟

به صورت کلی سه نوع اهرم وجود دارد: اهرم نوع اول، اهرم نوع دوم و اهرم نوع سوم. تفاوت بین این سه نوع اهرم به مکان نیرو، محل تکیه گاه و بار بستگی دارد. در ادامه این سه نوع اهرم را معرفی می‌کنیم.

انواع اهرم : اهرم نوع اول چیست؟

در اهرم نوع اول تکیه گاه بین مکان اعمال نیروی محرک و بار قرار گرفته است. اگر تکیه گاه نزدیک به نیروی مقاوم یا همان بار باشد، نیرو و تلاش کمتری برای حرکت دادن بار لازم است.

اگر تکیه گاه نزدیک به نیروی محرک باشد، در نتیجه نیروی محرک بیشتری برای حرکت دادن بار لازم است. پس به صورت کلی باید گفت فاصله کم بین تکیه گاه و بار منجر به مصرف نیروی کمتر برای حرکت دادن بار می‌شود.

الکلنگ، جک ماشین و دیلم نمونه‌هایی از اهرم نوع اول هستند. اهرم‌های نوع اول به عنوان ابزار بسیار مناسبی برای بلند کردن اجسام با یک نیروی محرک کوچک معرفی می‌شوند.

ابزارهایی از نوع اول اهرم را نام ببرید؟

همان طور که گفتیم در نوع اول اهرم، تکیه گاه بین نیروی مقاوم و محرک قرار گرفته است. از ابزارهایی که از نوع اول اهرم استفاده می‌کنند، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قیچی
• اره کردن
• چکش

انواع اهرم : اهرم نوع دوم چیست؟

در اهرم نوع دوم جسم یا نیروی مقاوم بین نیروی محرک و تکیه گاه قرار گرفته است. اگر نیروی مقاوم در فاصله کمتری نسبت به تکیه گاه قرار گرفته باشد، بنابراین نیروی کمتری برای حرکت دادن بار نیاز است. اگر نیروی مقاوم نزدیکتر به نیروی محرک باشد در نتیجه نیروی بیشتری برای حرکت دادن بار نیاز است.

در نتیجه در اهرم نوع دوم فاصله کمتر بین نیروی مقاوم و تکیه گاه باعث صرف نیروی کمتر برای حرکت دادن بار می‌شود. از ابزار نوع دوم اهرم‌ها می‌توان به فرغون، پارو و دربازکن اشاره کرد.

ابزارهایی از نوع دوم اهرم را نام ببرید؟

همانگونه که بیان شد در اهرم نوع دوم نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک قرار دارد. از ابزارهای مختلفی که از این نوع اهرم استفاده می‌کنند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• چرخ دستی
• فندق شکن
• درب بازکن بطری
• پدال ترمز ماشین
• ناخن گیر

انواع اهرم : اهرم نوع سوم چیست؟

در این نوع اهرم نیروی محرک مابین نیروی مقاوم و تکیه گاه قرار دارد. همچنین هر چه فاصله بین بار و نیروی محرک بیشتر باشد، مزیت مکانیکی این اهرم بیشتر می‌شود. برای مثال انبرهای باربکیو نمونه‌ای از اهرم‌های نوع سه هستند. از ابزارهای دیگر اهرم نوع سوم می‌توان به جارو و میله ماهیگیری اشاره کرد. در این نوع اهرم جهت نیرو و حرکت بار یکسان است.

ابزارهایی از نوع سوم اهرم را نام ببرید؟

همان طور که گفتیم در اهرم نوع سوم، نیروی محرک در میان نیروی مقاوم و تکیه گاه است. از ابزارهای اهرم نوع سوم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• موچین
• منگنه
• تله موش
• جارو
• چوب هاکی

قانون انواع اهرم ها چیست؟

اصل اساسی ریاضی اهرم این است که می‌توان از فاصله تا تکیه گاه برای تعیین نحوه ارتباط بین نیروهای محرک و مقاوم با یکدیگر استفاده کرد. اگر معادله تعادل اهرم را در نظر بگیریم و آن را به یک نیروی محرک ($$F_i$$) و نیروی مقاوم $$F_o$$ تعمیم دهیم، معادله‌ای به دست می‌آوریم که بیان می‌کند در هنگام کار یک اهرم، پایستگی گشتاور برقرار است و داریم:

$$\large F_i\ a=F_o\ b$$

این رابطه به ما اجازه می‌دهد تا فرمولی برای مزیت مکانیکی یک اهرم، که نسبت نیروی محرک به نیروی مقاوم است به دست آوریم و در نتیجه داریم:

$$\large Mechanical\ Advantage=\frac{a}{b}=\frac{F_o}{F_i}$$

در مثال قبلی که در بخش تعادل در اهرم بیان شد و در آن $$a=2b$$ بود مزیت مکانیکی 2 به دست می‌آید به این معنی که می‌توان از یک جرم 500 کیلوگرمی برای تعادل در یک جسم 1000 کیلوگرمی استفاده کرد.

مزیت مکانیکی به نسبت بین a و b بستگی دارد. برای اهرم‌های کلاس اول این کمیت‌ها می‌توانند هر مقداری داشته باشند اما اهرم‌های کلاس دو و کلاس سه محدودیت‌هایی را در مقادیر a و b ایجاد می‌کنند.

• برای اهرم‌های کلاس دوم که نیروی مقاوم بین نیروی محرک و تکیه گاه است، به این معنی که $$a$$ است، مزیت مکانیکی اهرم کلاس دو همواره بزرگتر از 1 است.
• برای یک اهرم کلاس سه که نیروی محرک بین نیروی مقاوم و تکیه گاه است، به این معنی که$$a>b$$ است، مزیت مکانیکی اهرم کلاس سه همیشه کمتر از 1 است.

اهرم در انگلیسی به چه معنا است؟

در انگلیسی اهرم را با واژه Lever می‌شناسند.

چه کسی اهرم را اختراع کرد؟

ارشمیدس کسی بود که اولین بار اهرم را به جامعه معرفی کرد. اهرم یک قطعه سفت و محکم است که حول یک نقطه ثابت یا پیوت حرکت می‌کند. جسمی که قرار است جابه‌جا شود بر روی چوب قرار می‌گیرد و زمانی که نیرو به درستی بر چوب یا قطعه‌ای با هر جنس دیگری وارد می‌شود، جسم حول نقطه پیوت می‌چرخد. ارشمیدس اولین کسی بود که قوانین و اصول اهرم‌ها را در قرن سه قبل از میلاد مسیح برای جامعه توضیح داد.

مقایسه انواع اهرم ها با یکدیگر

هر سه کلاس اهرم کار را آسان می‌کنند، اما آ‌ن‌ها این کار را به روش‌های مختلف انجام می‌دهند.

• وقتی نیروهای ورودی و خروجی در دو طرف مخالف تکیه گاه قرار داشته باشند، اهرم جهت نیروی وارد شده را تغییر می‌دهد. این فقط در اهرم‌های نوع یک اتفاق می‌افتد.
• وقتی هر دو نیروی ورودی و خروجی در یک سمت از تکیه گاه قرار بگیرند، جهت نیروی اعمال شده تغییر نمی‌کند. این حالت نیز در اهرم‌های نوع دوم و نوع سوم رخ می‌دهد.
• هنگامی که نیروی محرک دورتر از تکیه گاه نسبت به نیروی مقاوم اعمال شود، نیروی مقاوم بیشتر از نیروی محرک است و مزیت مکانیکی ایده آل بیشتر از 1 است. این حالت همیشه در اهرم‌های نوع دوم اتفاق می‌افتد و گاهی ممکن است در اهرم‌های نوع اول نیز این حالت رخ دهد.
• هنگامی که نیروی محرک نزدیکتر از نیروی مقاوم به محل تکیه‌گاه اعمال می‌شود، نیروی خروجی کمتر از نیروی ورودی است و مزیت مکانیکی ایده آل کمتر از 1 است. این حالت همیشه در اهرم‌های نوع سوم اتفاق می‌افتد و گاهی ممکن است در اهرم‌های نوع یک نیز رخ دهد.
• هنگامی که نیروهای محرک و مقاوم با تکیه گاه فاصله یکسانی داشته باشند، نیروی خروجی برابر با نیروی ورودی است و مزیت مکانیکی ایده‌آل 1 است. این حالت فقط در اهرم‌های نوع یک اتفاق می‌افتد.

مزیت اهرم‌های نوع سوم

ممکن است از خود بپرسید که چرا از اهرم نوع سوم استفاده می‌کنید در صورتی که جهت یا قدرت نیروی وارد شده را تغییر نمی‌دهد. مزیت اهرم نوع سوم این است که نیروی خروجی در مسافت بیشتری نسبت به نیروی ورودی اعمال می‌شود. انتهای خروجی اهرم باید سریعتر از انتهای ورودی حرکت کند تا مسافت بیشتری را پوشش دهد.

پرسش: جارو هنگامی که از آن برای جارو کردن کف استفاده می‌شود اهرم نوع سه است (شکل بالا را ببینید)، بنابراین انتهای خروجی اهرم سریعتر از انتهای ورودی حرکت می‌کند. این موضوع چه ویژگی دارد؟

پاسخ: با حرکت سریعتر جارو بر روی زمین، جارو کار را سریعتر انجام می‌دهد.

انواع اهرم ها چه کاربردهایی دارند؟

معمولاً از اهرم برای جابجایی یا بلند کردن اجسام استفاده می‌شود. بعضی اوقات برای فشار بر روی اشیا نیز از اهرم استفاده می‌شود اما در واقع در این حالت اجسام جابه‌جا نمی‌شوند. از اهرم‌ها می‌توان برای اعمال یک نیروی بزرگ در یک فاصله کوچک در یک انتهای اهرم فقط با اعمال یک نیروی کوچک در یک فاصله در سر دیگر اهرم استفاده کرد.

موارد استفاده از انواع اهرم

• اهرم‌ها بلند کردن مواد سنگین، برداشتن اجسام سخت و برش زدن آن‌ها را آسان می‌کنند.
• گیره‌های چکش، اهرم‌های رایجی هستند که به شما کمک می‌کنند تا میخ و دیگر قطعات تعبیه شده در چوب یا سایر سطوح سخت را بیرون آورید.
• میله‌های چرخ در زندگی روزانه مفید هستند زیرا به شما امکان می‌دهند تا بارهای خیلی سنگین یا حجیم را حمل کنید.
• موچین‌ها نمونه‌هایی از اهرم‌هایی هستند که بلند کردن یا برداشتن وسایل را آسان می‌کنند، حتی اگر آن وسایل سنگین نباشند.
• قیچی نمونه‌ای از اهرم است که با استفاده از نیرو مواد را برش می‌دهد یا جدا می‌کند.

آیا انواع اهرم ها خطرناک هستند؟

اهرم‌ها می‌توانند خطرناک باشند زیرا مقدار نیرو را چند برابر می‌کنند. اما همه بدون در نظر گرفتن خطرات ناشی از اهرم روزانه از این ابزار استفاده می‌کنند. هر وقت دری را باز می‌کنید از یک اهرم استفاده می‌کنید. اکثر اهرم‌هایی که ما روزانه مورد استفاده قرار می‌دهیم ایمن هستند. اما در طول تاریخ بشر از اهرم‌ها به عنوان سلاح نیز استفاده کرده است. به چند نمونه از سلاح‌هایی که اهرم هستند می‌توان اشاره کرد که شامل نانچیکو، منجنیق و نیزه‌های خاص جنگی هستند.

انواع اهرم ها در بدن انسان

هدف از انقباض عضلات ایجاد حرکت در برخی از قسمت‌های بدن است. این مهم از طریق یک سیستم اهرم حاصل می‌شود که انواع اهرم ها را معرفی کردیم. همچنین گفتیم که هر اهرم دارای قسمت‌های زیر است:

• تکیه گاه: این نقطه محوری است که معمولاً در مرکز مفصل دیده می‌شود.
• نیروی مقاوم: این قسمت به طور معمول وزن بدن یا برخی از اجسام خارجی است.
• نیروی محرک: این بخش یک نیروی عضلانی است که نیروی مقاوم را حرکت می‌دهد.

انواع اهرم های نوع اول در بدن انسان

در این اهرم‌ها تکیه گاه بین نیروی مقاوم و نیروی محرک است. مثالی در زندگی روزمره اره برقی است. در این نوع اهرم تکیه گاه بین نیروی مقاوم و نیروی محرک است. یک مثال روزانه این نوع اهرم الکلنگ است. در بدن انسان نیز این نوع اهرم را در ساختار سر می‌توان مشاهده کرد.

انواع اهرم نوع دوم در بدن انسان

در این نوع اهرم همان طور که گفتیم نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک است. این نوع اهرم از موثرترین انواع اهرم است زیرا یک نیروی نسبتاً کم می‌تواند وزن زیادی را حرکت دهد. مثالی در زندگی روزمره از انواع اهرم نوع دوم می‌تواند چرخ دستی باشد. در بدن انسان نیز ساختار پا یک نوع اهرم نوع دوم است.

انواع اهرم نوع سوم در بدن انسان

در این نوع اهرم نیروی محرک بین نیروی مقاوم و تکیه گاه است. این نوع اهرم به اندازه اهرم‌های نوع دوم کارآمد نیست، اما حرکات کوچک عضلات باعث ایجاد حرکت طولانی اهرم می‌شود. یک مثال در زندگی روزمره اهرم نوع سوم استفاده از یک موچین است. حرکت دست و بازو نیز گونه‌ای از اهرم نوع سوم است.

اکثر اهرم‌های بدن انسان اهرم‌های نوع سوم هستند که اجازه حرکت سریع را به اندام‌ها می‌دهند. برای انجام این حرکات سریع، نیروهای عضلانی زیادی لازم است. طول نسبی بازوی محرک (فاصله بین تکیه گاه و نیروی محرک) و بازوی مقاوم (فاصله بین تکیه گاه و نیروی مقاوم) به این معنی است که عضلات معمولاً نیروهایی را به مراتب بیشتر از بارهایی که جابه‌جا می‌شوند، تولید می‌کنند.

مثالی از انواع اهرم : چرخ و محور

ترکیبی از چرخ و محور یکی از نمونه‌های ماشین ساده است که ماشین‌های پیچیده‌تری از آن شکل می‌گیرند. اساس کار این ماشین یک اهرم است زیرا حرکت آن به نیروی محرک $$F_e$$ بستگی دارد که دارای بازوی اهرم بلندتری نسبت به نیروی مقاوم $$F_r$$ است. مزیت مکانیکی ایده آل این ماشین برابر با نسبت بازوهای اهرم یعنی $$\frac{R}{r}$$ است.

$$\large Wheel\ and\ axle\ IMA=\frac{R}{r}$$

مزیت بارز اهرم چرخ و محور نسبت به یک اهرم ساده این است که مسافت طی شده بار با مقدار طناب یا کابلی که دور چرخ یا محور می‌پیچید محدود می‌شود.

مثالی از انواع اهرم : قرقره

قرقره یکی از انواع ماشین‌های ساده‌ است که ماشین‌های پیچیده‌تری از آن ساخته می‌شوند. با یک قرقره ثابت و محور، مزیت مکانیکی ایده آل یعنی N = 1 است. این اهرم این مزیت را دارد که می‌توانید نیروی محرک یعنی $$F_e$$ را هدایت کنید و بنابراین می‌توانید در برابر نیروی مقاوم، حرکت انجام دهید. یک قرقره معلق مانند تصویر میانی زیر، نیروهای رو به بالا در دو طناب برابر هستند و بنابراین هر یک نیمی از بار را تحمل می‌کنند و مزیت مکانیکی ایده آل برابر با N=2 است.

با یک مجموعه چهار قرقره‌ای که در تصویر بالا نشان داده شده است شما چهار طناب دارید که در برابر نیروی مقاوم قرار دارد، بنابراین نیروی محرک یعنی $$F_e$$ که کشش طناب را ایجاد می‌کنند در حالت ایده آل فقط یک چهارم بار است، بنابراین مزیت مکانیکی ایده آل برابر با 4 است. تمام این روابط نیرو از شرط تعادل نیروها به دست می‌آیند که در این حالت مجموع نیروهای رو به بالا برابر با مجموع نیروهای رو به پایین در هر سطح مقطع سیستم است.

مسئله انواع اهرم

پرسش: در چرخ دستی شکل بالا، بار دارای یک بازوی اهرم عمود 50/7 سانتی متری است، در حالی که دست‌ها دارای بازوی اهرم عمود 1/02 متری هستند. (الف) اگر جرم مجموع این سیستم 45 کیلوگرم باشد، برای نگه داشتن چرخ دستی و بار آن چه نیرویی رو به بالا باید اعمال کنید؟ (ب) چرخ دستی چه نیرویی بر زمین وارد می‌کند؟

پاسخ: در اینجا ما از مفهوم مزیت مکانیکی استفاده می‌کنیم. برای قسمت اول از پایستگی گشتاور داریم:

$$\large F_i\ l_i=F_o\ l_o$$

در نتیجه نیرویی محرک برای نگه داشتن بار یا نیروی مقاوم برابر است با:

$$\large F_i=F_o\frac{l_o}{l_i}= mg\ \frac{l_o}{l_i}$$

$$\large F_i=(45)(9.8) (\frac{0.075}{1.02})=32.4\ N$$

در قسمت (ب) و برای به دست آوردن نیرویی که چرخ دستی به زمین وارد می‌کند طبق نمودار آزاد جسم و نیرو داریم:

$$\large F_i+N=W$$

در نتیجه N یا نیروی عمود بر سطح برابر است با:

$$\large N=(45)(9.8)-32.4=409\ N$$

در نتیجه نیرویی که چرخ به زمین وارد می‌کند برابر با 409 نیوتن است. هر چه دسته طولانی‌تر باشد، نیروی مورد نیاز برای بلند شدن بار را کاهش می‌دهد. در این حالت مزیت مکانیکی ایده آل برابر با $$\frac{1.02}{0.075}=13.6$$ است.

جمع بندی

در قسمت جمع بندی این نوشتار از مجله فرادرس به چند سوال اساسی مبحث اهرم به صورت خلاصه خواهیم پرداخت.

• اهرم چیست؟ اهرم یک ماشین ساده است که از یک جسم صلب و یک تکیه گاه ساخته شده است. نیروی محرک (نیروی ورودی) و نیروی مقاوم (نیروی خروجی) به هر دو انتهای جسم صلب اعمال می‌شود. تکیه گاه نقطه‌ای است که اهرم بر روی آن می‌چرخد. وقتی نیرویی روی یک انتهای اهرم اعمال شود، در انتهای دیگر این اهرم نیز نیرو وارد می‌شود.
• اصل اهرم چیست؟ با آزمایش مشخص شده است که در اهرم دو نیروی مساوی در جهت مخالف یکدیگر مثلاً در جهت عقربه‌های ساعت و خلاف جهت عقربه‌های ساعت در فواصل مساوی از تکیه گاه عمل می‌کنند و یک حالت تعادل یا بالانس را در اهرم ایجاد می‌کنند.
• انواع اهرم چه هستند؟ سه نوع اهرم وجود دارد که عبارت از اهرم نوع یک، نوع دو و نوع سه هستند. تفاوت بین این سه نوع اهرم به مکان نیرو، محل تکیه گاه و محل بار بستگی دارد.
• اهرم نوع یک چیست؟ در اهرم‌های نوع یک تکیه گاه بین نیرو و بار هستند. به طور خلاصه در یک اهرم نوع یک، نیروی محرک (نیرو) در یک مسافت بزرگ اعمال می‌شود تا بار را که در فاصله کمتری از تکیه گاه قرار دارد را جابه‌جا کند و تکیه گاه بین نیروی محرک (نیرو) و بار است.
• اهرم نوع دوم چیست؟ در اهرم‌های نوع دوم، بار بین نیروی محرک (نیرو) و تکیه گاه است. یک مثال متداول از این نوع اهرم چرخ دستی است که در آن نیروی محرک با فاصله زیاد از تکیه گاه یک بار سنگین را جابه‌جا می‌کند و حرکت می‌دهد. در یک اهرم نوع دوم فاصله تکیه گاه تا نیروی محرک زیاد است و بار را که در فاصله کوتاهتری از تکیه گاه است جابه‌جا یا بلند می‌کند.
• اهرم نوع سوم چیست؟ در اهرم‌های نوع سوم، نیروی محرک بین بار و تکیه گاه است به عنوان مثال در انبر کباب. نمونه‌های دیگری از اهرم‌های نوع سوم جارو، میله ماهیگیری و نیزه‌های خاص شکار است.