اهرم چیست؟ – تعریف و سه قسمت اصلی اهرم

اهرم یکی از انواع ماشین‌های ساده است که با هدف افزایش نیرو یا تغییر جهت آن بکار می‌رود. به زبان ساده می‌توانیم بگوییم اهرم میله‌ای است که حول یک نقطه‌ ثابت به نام تکیه‌گاه می‌چرخد و با وارد کردن نیرو به یک سر آن می‌توان در سر دیگر آن نیرویی بزرگ‌تر یا کوچک‌تر ایجاد کرد. در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا توضیح می‌دهیم که اهرم چیست. سپس سه قسمت اصلی اهرم‌ها را شرح می‌دهیم و بعد انواع آن‌ها را به همراه مثال مرور می‌کنیم.

تعریف اهرم چیست و سه قسمت اصلی آن چه هستند؟

اگر از شما بپرسند اهرم چیست یا بگویند آن را تعریف کنید، باید بگویید اهرم به میله بسیار محکم یا صلبی گفته می‌شود که آزادانه حول یک نقطه ثابت دوران می‌کند. اهرم سه قسمت اصلی دارد که عبارت‌اند از:

• تکیه‌گاه: به نقطه ثابتی که اهرم حول آن دوران می‌کند، تکیه‌گاه گفته می‌شود. موقعیت تکیه‌گاه ثابت است و نسبت به میله اهرم حرکت نمی‌کند.
• نیروی مقاوم: بخشی از میله اهرم که به آن نیرو وارد می‌کنیم.
• نیروی محرک: بخشی از میله است که پس از نیرو وارد کردن از سمت ما، به جسم نیرو وارد می‌کند.

کاربرد اهرم‌ها بسیار متنوع است. از اهرم برای بلند کردن بارهای سنگین و همچنین انتقال حرکت از نقطه‌ای به نقطه دیگر استفاده می‌شود. با کمک اهرم‌ها می‌توان نیرو را چند برابر کرد و از این نیروی چند برابری در راستای انجام اموری بهره گرفت که در حالت نیروی کافی برای انجام آ‌ن‌ها نداریم.

انواع اهرم چیست؟

اهرم‌ها را می‌توان با توجه به محل قرار گیری تکیه‌گاه و نیروهای محرک و مقاوم به سه دسته مختلف تقسیم کرد که به آن‌ها به ترتیب اهرم نوع اول، اهرم نوع دوم و اهرم نوع سوم می‌گویند. در این بخش از مطلب اهرم چیست، به بررسی این سه دسته می‌پردازیم.

اهرم نوع اول چیست؟

در اهرم نوع اول، تکیه‌گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار می‌گیرد. نمای کلی اهرم‌های نوع اول را در شکل زیر مشاهده می‌کنید. الاکلنگ، ترازوی کفه‌ای، قیچی و انبردست، نمونه‌هایی از انواع اهرم‌های نوع اول هستند.

براساس اینکه بازوی محرک نسبت به بازوی مقاوم بزرگتر یا کوچکتر باشد یا هر دو، اندازه‌ای برابری داشته باشند، سه حالت مختلف برای این دسته از اهرم‌ها می‌توان متصور بود:

• حالت اول: مانند الاکلنگ، تکیه‌گاه در وسط نیروهای محرک و مقاوم قرار می‌گیرد.
• حالت دوم: بازوی مقاوم، کوچکتر از بازوی محرک است، یا ساده‌تر بگوییم تکیه‌گاه به نیروی مقاوم نزدیک‌تر است. به عنوان مثالی از این حالت، می‌توان به انبردست یا قیچی باغبانی اشاره کرد.
• حالت سوم: تکیه‌گاه به نیروی محرک نزدیک است. به عنوان نمونه، در قیچی‌های معمولی که برای بریدن کاغذ و پارچه از آنها استفاده می‌شود، بازوی محرک از بازوی مقاوم کوچکتر است.

فیلم اهرم چیست؟ + ۳ قسمت اصلی + مثال‌های عملی (فیلم آموزش رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

اهرم نوع دوم چیست؟

در اهرم‌ نوع دوم، نیروی مقاوم بین تکیه‌گاه و نیروی محرک قرار می‌گیرد. نمای کلی آن در شکل زیر نشان داده شده است. از جمله اهرم‌های نوع دوم می‌توان به درِ اتاق، در بازکن کنسرو، جک اتومبیل، چرخ دستی و فندق‌شکن اشاره کرد.

اهرم نوع سوم چیست؟

در اهرم‌ نوع سوم، نیروی محرک در وسط و تکیه‌گاه و نیروی مقاوم در دو طرف آن قرار می‌گیرند. تصویر زیر، نمای کلی یا شکل اهرم نوع سوم را به تصویر کشیده است. اهرم‌های نوع سوم را می‌توان در بازوی انسان، راکت تنیس، جاروی دستی بلند، بیل، قاشق و منگنه مشاهده کرد.

برای یادگیری بیشتر و کامل‌تر در مورد انواع اهرم‌ها توصیه می‌کنیم مطلب انواع اهرم با مثال مجله فرادرس را مطالعه کنید.

عملکرد اهرم چگونه است؟

اهرم‌ها یکی از انواع ماشین‌های ساده به حساب می‌آیند. عملکرد این ماشین‌ها یا عملکرد اهرم‌ها به موقعیت نسبی بار، تکیه‌گاه (Fulcrum) و نقطه اعمال نیرو بستگی دارد. بهینه‌ترین حالت اهرم زمانی اتفاق می‌افتد که تکیه‌گاه در نزدیکی بار قرار بگیرد. قانون اهرم را می‌توان با کمک قوانین حرکت نیوتن و روابط استاتیک بیان کرد. در حالت ایده‌آل، اهرم نه انرژی را ذخیره و نه آن را منتشر می‌کند. به عبارت دیگر، نه اصطکاکی در تکیه‌گاه وجود دارد و نه خمش در میله رخ می‌دهد. در این حالت، توان ورودی به اهرم با توان خروجی آن برابر است.

مزیت مکانیکی اهرم را می‌توان با تعادل گشتاورها حول تکیه‌گاه نشان داد. برای اهرم نشان داده شده در شکل زیر، برآیند گشتاورها را می‌نویسیم:

$$\large \sum_ {} ^ {} M \: = \: 0 \\~\\ \large F_1 \times a \: - \: F_2 \times b \: = \: 0$$

همان‌طور که دیدیم، نسبت نیروی مقاوم به محرک، برابر با نسبت بازوی محرک به بازوی مقاوم است. برای نشان دادن اینکه یک ابزار مکانیکی، نیرو را چند برابر کرده است، از مفهوم مزیت مکانیکی (Mechanical Advantage) استفاده می‌شود. با توجه به رابطه قبل، مزیت مکانیکی به صورت زیر قابل تعریف است.

$$\large MA \: = \: \frac { F_2 } { F_1 } \: = \: \frac { a } { b }$$

مطابق این قانون، اگر بازوی محرک نسبت به بازوی مقاوم بزرگتر باشد، نیروی مقاوم هم از نیروی محرک بزرگتر خواهد بود. از سوی دیگر، اگر بازوی محرک نسبت به بازوی مقاوم کوچک‌تر باشد، نیروی مقاوم از نیروی محرک کوچکتر می‌شود. همچنین می‌توانیم جابجایی بازوها و سرعت نقاط محرک و مقاوم را نیز به دست آوریم. شکل زیر را در نظر بگیرید. فرض کنید نیروی $$\large F$$ اندکی بیشتر از نیروی مورد نیاز برای تعادل سیستم باشد. در این وضعیت، بار نشان داده شده در شکل، به سمت بالا حرکت می‌کند. اگر نقطه‌ای که به آن نیروی $$\large F$$ وارد می‌شود، به اندازه $$\large L_2$$ جابجا شود، جابجایی نقطه‌ای که بار روی آن قرار دارد، به میزان $$\large L_1$$ خواهد بود. از آنجایی که زاویه‌های متناظر در شکل بالا با هم برابرند، با کمک روابط مثلثاتی می‌توان به سادگی رابطه زیر را نتیجه‌گیری کرد.

$$\large \frac { L_1} {L_2 } \: = \: \frac { d_1} {d_2 }$$

اکنون با مشتق‌گیری از رابطه بالا، رابطه بین سرعت در این دو نقطه به دست می‌آید.

$$\large \frac { v _ 1 } { v _ 2 } \: = \: \frac { d_1} {d_2 }$$

حل مثال از اهرم

در این بخش با حل چند مثال بهتر متوجه فرمول‌ها و قواعد اهرم خواهید شد.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم – بخش فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

مثال ۱

علی و سعید با وزن‌های ترتیب ۹۰ و ۶۰ کیلوگرم بر روی الاکلنگ نشسته‌اند. اگر فاصله آن‌ها از هم ۱۰ متر باشد، فاصله هر کدام از تکیه‌گاه را به دست آورید.

پاسخ

در مرحله اول مقادیر را مشخص می‌کنیم. x فاصله علی از تکیه‌گاه و ۱۰-x فاصله سعید از تکیه‌گاه است:

$$90\times (x) = 60\times(10-x) \\ 90x = 600 - 60x \\ 150x=600\\ x=4$$

در نتیجه، علی باید در فاصله ۴ متری و سعید در فاصله ۶ متری از تکیه‌گاه بنشینند.

مثال ۲

با توجه با تصویر زیر، نیروی $$F_r$$ را در سمت راست به دست آورید:

پاسخ

بازده اهرم‌ها به صورت ورودی تقسیم بر خروجی تعریف می‌شود. در این مثال ورودی برابر ۴ متر و خروجی برابر ۱٫۵ متر است، در نتیجه با قرار دادن مقادیر داده شده در رابطه فوق، مقدار بازده برابر ۲/۷ به دست می‌آید. اکنون مقدار بار را به دست می‌آوریم:

 نیروی محرک × مزیت یا بازده ایده‌آل = نیروی مقاوم

قیچی چه نوع اهرمی است؟

قیچی مثالی از اهرم نوع اول است. تکیه‌گاه در وسط و نیروی وارد شده از طرف دست بر انتها وارد می‌شود.

ناخن‌ گیر چه نوع اهرمی است؟

دسته ناخن‌گیر مثالی از اهرم نوع دوم است. در این حالت تکیه‌گاه در انتها قرار دارد. اما عملکرد کلی ناخن‌گیر یعنی برش ناخن توسط تیغه‌ها از نوع اول است.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس به پرسش اهرم چیست پاسخ و در مورد انواع اهرم‌ها توضیح داده شد. جدول زیر، انواع اهرم‌ها و تعریف آن‌ها را به صورت خلاصه نشان می‌دهد: