تركيب الآلات البسيطة فيزيائياً

ما هي الآلة البسيطة؟

تعرف الآلة البسيطة بأنها أي من الأجهزة المتعددة التي تحتوي على أجزاء متحركة قليلة أو لا تحتوي على أجزاء متحركة تُستخدم لتعديل الحركة والقوة من أجل أداء العمل، بحيث الآلات البسيطة هي المستوى المائل، الرافعة، الإسفين، العجلة والمحور، البكرة والمسمار.

أنواع الآلات البسيطة:

المستوى المائل:

يتكون المستوى المائل من سطح مائل؛ حيث يتم استخدامه لرفع الأجسام الثقيلة، يوفر المستوى ميزة ميكانيكية تتمثل في أن القوة المطلوبة لتحريك جسم ما لأعلى المنحدر أقل من الوزن الذي يتم رفعه (خصم الاحتكاك)، فكلما كان المنحدر أو المنحدر أكثر حدة.
اقتربت القوة المطلوبة من الوزن الفعلي، ومعبرًا عنها رياضيًا، القوة F المطلوبة لتحريك كتلة D لأعلى مستوى مائل بدون احتكاك تساوي وزنها W مضروبًا في جيب الزاوية التي يصنعها المستوى المائل مع الأفقي (θ)، والمعادلة هي F = W sin θ.

يُستخدم مبدأ المستوى المائل على نطاق واسع – على سبيل المثال، في المنحدرات والطرق المتقطعة، حيث يمكن لقوة صغيرة تعمل لمسافة على طول منحدر أن تؤدي قدرًا كبيرًا من العمل.

الرافعة:

تعرف الرافعة بأنها عبارة عن شريط أو لوح يرتكز على دعامة تسمى نقطة الارتكاز، حيث يمكن نقل القوة الهابطة التي تمارس على أحد طرفي الرافعة وزيادتها في اتجاه تصاعدي في الطرف الآخر، مما يسمح لقوة صغيرة برفع وزن ثقيل.

استخدم جميع الأشخاص الأوائل الرافعة بشكل ما، على سبيل المثال لتحريك الأحجار الثقيلة أو كعصي حفر لزراعة الأرض، ثم تم استخدام مبدأ الرافعة في swape، أو shadoof، وهي رافعة طويلة تتمحور بالقرب من أحد الأطراف مع منصة أو حاوية مياه تتدلى من الذراع القصيرة والأثقال الموازنة المتصلة بالذراع الطويل، ويمكن للرجل أن يرفع وزنه عدة مرات عن طريق سحب ذراعه الطويلة، حيث يقال أن هذا الجهاز قد استخدم في مصر والهند لرفع المياه ورفع الجنود فوق المعارك منذ 1500 قبل الميلاد.

إسفين:

الوتد هو كائن يتناقص تدريجيًا إلى حافة رفيعة، حيث يؤدي دفع الإسفين في اتجاه واحد إلى إنشاء قوة في اتجاه جانبي، وعادة ما تكون مصنوعة من المعدن أو الخشب وتستخدم للتقسيم أو الرفع أو الشد، كما هو الحال في تثبيت رأس المطرقة على مقبضها.

تم استخدام الإسفين في عصور ما قبل التاريخ لتقسيم جذوع الأشجار والصخور؛ الفأس إسفين أيضًا، وكذلك أسنان المنشار، من حيث وظيفته الميكانيكية، ويمكن اعتبار البرغي بمثابة إسفين ملفوف حول اسطوانة.

العجلة والمحور:

تتكون العجلة والمحاور من إطار دائري (العجلة) يدور على عمود أو قضيب (المحور)، وربما كان يستخدم في أبكر شكل لرفع الأثقال أو دلاء المياه من الآبار، يتم شرح مبدأ التشغيل بشكل أفضل عن طريق جهاز به ترس كبير وترس صغير متصل بنفس العمود، حيث إن ميل القوة F المطبقة عند نصف القطر R على الترس الكبير لتدوير العمود كافٍ للتغلب على القوة الأكبر W عند نصف القطر r على الترس الصغير، تضخيم القوة، أو الميزة الميكانيكية، يساوي نسبة القوتين (W: F) ويساوي أيضًا نسبة نصف قطر الترسين (R: r).

إذا تم استبدال التروس الكبيرة والصغيرة بأسطوانات ذات قطر كبير وصغير ملفوفة بالحبال، تصبح العجلة والمحور قادرين على رفع الأثقال، ويتم ربط الوزن الذي يتم رفعه بالحبل الموجود على الاسطوانة الصغيرة، ويقوم المشغل بسحب الحبل على الأسطوانة الكبيرة.

في هذا الترتيب، تكون الميزة الميكانيكية هي نصف قطر الاسطوانة الكبيرة مقسومًا على نصف قطر الاسطوانة الصغيرة، حيث يمكن الحصول على زيادة في الميزة الميكانيكية باستخدام اسطوانة صغيرة بنصف قطر r1 و r2 وكتلة بكرة، وعندما يتم تطبيق قوة على الاسطوانة الكبيرة، فإن الحبل الموجود على الاسطوانة الصغيرة يلتف على D ويخرج من d.

مقياس تضخيم القوة المتاح مع نظام البكرة والحبل هو نسبة السرعة، أو نسبة السرعة التي يتم بها تطبيق القوة على الحبل (V_F) إلى السرعة التي يتم بها رفع الوزن (V_W)، وهذه النسبة تساوي ضعف نصف قطر الاسطوانة الكبيرة مقسومًا على الفرق في نصف قطر البراملين الأصغر D و d.

معبرًا عنها رياضيًا، تكون المعادلة V_F / V_W = 2R / (r2 – r1)، الميزة الميكانيكية الفعلية W / F أقل من نسبة السرعة هذه، اعتمادًا على الاحتكاك، يمكن الحصول على ميزة ميكانيكية كبيرة جدًا من خلال هذا الترتيب عن طريق جعل البراملين الأصغر حجمًا D و d بنصف قطر متساوٍ تقريبًا.

البكرة:

وهي عبارة عن عجلة تحمل حبلًا مرنًا أو سلكًا أو كابلًا أو سلسلة أو حزامًا على شفتها، وتستخدم البكرات منفردة أو مجتمعة لنقل الطاقة والحركة، حيث تسمى البكرات ذات الحواف المحززة بالحزم، وفي محرك الحزام، يتم تثبيت البكرات على أعمدة في محاورها، ويتم نقل الطاقة بين الأعمدة عن طريق أحزمة لا نهاية لها تعمل فوق البكرات.

يمكن استخدام واحدة أو أكثر من البكرات الدوارة بشكل مستقل للحصول على ميزة ميكانيكية، وخاصة لرفع الأثقال، بحيث قد تثبت الأعمدة التي تدور حولها البكرات بإطارات أو كتل، ويشار إلى مجموعة من البكرات والكتل والحبال أو أي مادة مرنة أخرى بالكتلة والمعالجة، كما ورد أن عالم الرياضيات اليوناني أرخميدس (القرن الثالث قبل الميلاد) استخدم بكرات مركبة لسحب سفينة إلى اليابسة.

المسمار:

عادة ما يكون المسمار عبارة عن عضو اسطواني دائري مع ضلع حلزوني مستمر، ويستخدم إما كمثبت أو كمعدل للقوة والحركة، على الرغم من أن الفيلسوف الفيثاغوري Archytas of Tarentum (القرن الخامس قبل الميلاد) هو المخترع المزعوم للمسمار، إلا أن الفترة المحددة لظهوره لأول مرة كأداة ميكانيكية مفيدة غامضة، وعادة ما يُنسب اختراع برغي الماء إلى أرخميدس، ولكن توجد أدلة على وجود جهاز مماثل يستخدم للري في مصر في تاريخ سابق.

تم استخدام المكبس اللولبي، الذي ربما تم اختراعه في اليونان في القرن الأول أو الثاني قبل الميلاد، منذ أيام الإمبراطورية الرومانية لكبس الملابس، وفي القرن الأول قبل الميلاد، تم استخدام البراغي الخشبية في معاصر زيت الزيتون، وكانت القواطع (الصنابير) لقطع الخيوط الداخلية قيد الاستخدام.

يتم استخدام مسامير الغطاء والماكينة لربط أجزاء الماكينة معًا، إما عندما يكون لأحد الأجزاء ثقب ملولب أو مع صمولة، تتمدد هذه البراغي عند إحكام ربطها، ويؤدي حمل الشد الناتج إلى تثبيت الأجزاء معًا، بحيث يلائم الصامولة فتحة ملولبة في عضو واحد؛ وعند شدها، يتم ضغط النقطة على شكل كوب في عضو التزاوج (عادةً عمود) وتمنع الحركة النسبية، وتشكل المسامير اللولبية ذاتية اللولب أو تقطع خيوط التزاوج عن طريق إزاحة المواد المجاورة للفتحة التجريبية بحيث تتدفق حول المسمار.

مسامير ورؤوس لولبية:

تصنع براغي الخشب بمجموعة متنوعة من الأقطار والأطوال؛ وعند استخدام الأحجام الكبيرة، يتم حفر ثقوب تجريبية لتجنب تقسيم الخشب، والمسامير اللولبية هي براغي خشبية كبيرة تستخدم لربط الأشياء الثقيلة بالخشب، وتكون الرؤوس إما مربعة أو سداسية.

تُعرف البراغي التي تعدل القوة والحركة باسم براغي الطاقة، حيث يحول الرافعة اللولبية عزم الدوران (لحظة الدوران) إلى دفع، ويتم إنشاء الدفع (عادةً لرفع جسم ثقيل) عن طريق تدوير المسمار في صمولة ثابتة، باستخدام قضيب طويل لتدوير البرغي، ويمكن لقوة صغيرة في نهاية القضيب أن تخلق قوة دفع كبيرة.

يتم تحريك طاولات قطع العمل الموجودة على أدوات الماكينة خطيًا على طرق توجيهية بواسطة براغي تدور في محامل في نهايات الطاولات وتتزاوج مع الصواميل المثبتة في إطار الماكينة، ويمكن الحصول على تحويل مماثل من عزم الدوران إلى الدفع إما عن طريق تدوير المسمار المثبت محوريًا لقيادة صمولة ثابتة دورانيًا على طول المسمار أو عن طريق تدوير صمولة ثابتة محوريًا لقيادة برغي ثابت دورانيًا عبر الجوز.

ما هو العتاد:

مكون الآلة يتكون من عجلة مسننة متصلة بعمود دوار تعمل التروس في أزواج لنقل وتعديل الحركة الدورانية وعزم الدوران (قوة الدوران) دون انزلاق، حيث تقوم أسنان أحد التروس بإشراك الأسنان على ترس التزاوج، وإذا كانت الأسنان الموجودة على زوج من تروس التزاوج مرتبة في دوائر، أي إذا كانت التروس عبارة عن عجلات مسننة، فإن نسب السرعات الدوارة وعزم الدوران للأعمدة ثابتة، وإذا كانت الأسنان مرتبة على أجسام غير دائرية، فإن نسب السرعة وعزم الدوران تختلف.

معظم التروس دائرية، ولنقل الحركة بسلاسة وبنسبة سرعة غير متغيرة في كل لحظة، يجب تشكيل الأسطح الملامسة لأسنان التروس بعناية إلى ملف تعريف محدد، بحيث إذا كان أصغر زوج تروس (الترس الصغير) على عمود القيادة، يعمل الزوج لتقليل السرعة وتضخيم عزم الدوران؛ وإذا كان الترس الصغير على العمود المدفوع، فإن الزوج يعمل كزيادة سرعة ومخفض عزم الدوران.

إذا كان الترس المُدار به ضعف عدد أسنان الترس الصغير، على سبيل المثال فإن عزم الترس المُدار يكون ضعف عزم الترس الصغير، في حين أن سرعة الترس الصغير تكون ضعف سرعة الترس المُدار، ويجب أن تكون الأعمدة التي تربط التروس قريبة نسبيًا، ولكن قد يكون لها عمليا أي علاقة مكانية فيما يتعلق ببعضها البعض؛ قد تكون متوازية أو غير متوازية ومتقاطعة أو غير متقاطعة.

ولكل ترتيب من هذه الأعمدة، يمكن عمل التروس ذات القدرات المناسبة، ويمكن توصيل الأعمدة المتوازية عن طريق التروس ذات الأسنان المستقيمة بالطول وبالتوازي مع محاور العمود (التروس المحفزة) أو عن طريق التروس ذات الأسنان الملتوية والمسمار (التروس الحلزونية).

الأعمدة المتقاطعة متصلة بواسطة تروس ذات أسنان مدببة مرتبة على مخاريط مقطوعة (تروس مخروطية)، وعادة ما يتم توصيل الأعمدة غير المتوازية وغير المتقاطعة بواسطة دودة وترس، حيث تشبه الدودة المسمار، ويشبه الترس ربع جزء من صمولة طويلة تم ثنيها حول اسطوانة، والزاوية الأكثر شيوعًا بين الأعمدة غير المتوازية، سواء كانت متقاطعة أو غير متقاطعة، هي الزاوية القائمة (90 درجة).