انواع اهرم چیست و چه نمونه هایی وجود دارد؟

مجموعه: چرا ، زیرا و چگونه

انواع اهرم های مکانیکی

انواع اهرم چیست؟ تاریخچه، کاربرد و مزیت کاربرد آن ها

اهرم ها ماشین هایی ساده هستند که انجام کارها راحت تر میکنند. 

انواع اهرم بسته به محل نیروی محرک ، نیروی مقاوم و تکیه گاه به سه دسته تقسیم می شود. اهرم نوع اول ، اهرم نوع دوم و اهرم نوع سوم. 

ارشمیدس اولین کسی بود که اهرم را اختراع کرد و قوانین و اصول اهرم ها را در قرن 3 قبل از میلاد ابداع نمود.

در ادامه مقاله بیتوته انواع اهرم و ویژگی های هر نوع اهرم را با شما در میان می گذاریم. 

اهرم چیست؟

اهرم یک ماشین ساده است که از یک جسم سخت و یک تکیه گاه تشکیل شده است. 

تکیه گاه نقطه ای است که اهرم حول محور آن می چرخد. زمانی که نیرویی به سمت پایین به یک سمت اهرم وارد شود ، این نیرو به سمت دیگر اهرم منتقل شده و باعث حرکت سمت دیگر اهرم به سمت بالا می شود. 

نوع عملکرد اهرم بر اساس تعریف گشتاور انجام  می شود.

گشتاور مقدار نیروی لازم برای چرخش یک جسم حول محور یا تکیه گاه اهرم است.

مزیت مکانیکی اهرم 

مزیت مکانیکی اهرم باعث می شود که یک ماشین ساده از نیروی ورودی استفاده کند و جسمی سنگین را با نیروی کم حرکت دهد.

مزیت مکانیکی اهرم به محل اعمال نیرو ، بار و تکیه گاه اهرم وابسته است.

هر چه فاصله بین نیروی وارد شده و تکیه گاه بیشتر باشد ، حرکت بار آسان تر خواهد شد.

مزیت مکانیکی اهرم با رابطه زیر تعریف می شود.

فرمول مزیت مکانیکی اهرم

بر اساس این فرمول در صورتی که فاصله بین نیرویی که وارد می کنید با تکیه گاه بیشتر از فاصله بین بار و تکیه گاه باشد ، اهرم دارای مزیت مکانیکی خواهد بود.

هر چه فاصله بین این دو بیشتر باشد ، مزیت مکانیکی اهرم بیشتر است.

یعنی شما با مقدار کم نیرو میتوانید جسمی بسیار سنگین را بلند کنید.  

آشنایی با قسمتهای مختلف اهرم

هر اهرم چهار قسمت اصلی دارد :

- تخته یا میله 

- تکیه گاه یا پیوت 

- نیروی ورودی یا نیروی محرک

- بار یا نیروی مقاوم

میله اهرم میتوانید فلزی یا چوبی یا هر جنس سخت دیگری باشد که بتواند آزادانه حول محور تکیه گاه گردش کند.

زمانی که یک سمت اهرم را به پایین فشار میدهید ، نیروی محرکی به اهرم وارد می کنید و در این حالت اهرم حول محور تکیه گاه حرکت کرده و نیرویی به بار وارد میکند.

اهرم ها با افزایش نیروی محرک و تغییر جهت نیرو، کارها را آسانتر می نمایند.

گشتاور چیست

گشتاور چیست؟

اساس کار اهرم ها گشتاور است. گشتاور اندازه نیرویی است که میتواند باعث چرخخش جسم در اطراف یک محور شود. گشتاور باعث ایجاد شتاب زاویه ای جسم هنگام حرکت می شود. گشتاور حالت برداری دارد و جهت بردار گشتاور به جهت نیرو در محور بستگی دارد.

بهترین مثال برای درک گشتاور ، باز کردن در است. زمانی که شما در را باز میکنید ، از کنار لولا به در فشار می آورید. هل دادن در نزدیک به لولا نیروی زیادی لازم دارد ولی هل دادن با دورتر شدن از لولا ، راحت تر می شود با این که کار انجام شده یکسان است ولی نیروی وارد شده با دور شدن از لولا کاهش پیدا میکند به همین دلیل است که دستگیره را دور از لولا روی در نصب میکنند.

گشتاور میتواند استاتیک یا داینامیک باشد.

گشتاور استاتیک ، گشتاوری است که شتاب زاویه ای تولید نمی کند. مثلا باز شدن در گشتاور استاتیک یا ایستا تولید میکد چون در دور لولا نمی چرخد. کسی که روی دوچرخه  با سرعت ثابت رکاب می زند  هم گشتاور استاتیک اعمال میکد زیرا تغییر سرعت ندارد و در حال شتاب گرفتن نیست. 

در مسابقات اتومبیل رانی که ماشین ها از شروع حرکت تا خط پایان تغییرات سرعت دارند ، میل لنگ گشتاور داینامیک ایجاد میکند چون با شتاب گرفتن  ماشین در مسیر باید شتاب زاویه ای برای چرخ ها تولید کند.

محاسبه گشتاور

هنگام محاسبه گشتاور از اصطلاعات خاصی استفاده می شود. 

معمولا به جای گشتاور از اصطلاح مومنت و نیرو مومنت استفاده می شود و به شعاعی که نیرو در آن عمل می نماید بازوی مومنت گفته می شود. 

میزان بردار گشتاور τ که با نیرو معین F تولید می شود برابر است با :

فرمول گشتاور

در این فرمول r طول بازوی مومنت و θ زاویه بین بردار نیروی و بازوی مومنت است. 

در مورد  دری که در تصویر بالا نشان داده شده است.  زاویه بین نیرو و بازو 90 درجه است و سینوس 90 درجه برابر با 1 است. بنابراین فرمول بسیار ساده تر می شود. 

اصول اهرم ها 

جهت بردار گشتاور با استفاده از قانون دست راست مشخص می گردد. یعنی اگر انگشت دست را حول محول چرخش قرار دید به طوری که انگشتان در جهت نیرو باشند و انگشت شصت جهت گشتاور را نشان میدهد.

اصول اهرم ها

اگر دو نیرو در خلاف جهت هم ( ساعت گرد و پاد ساعت گرد ) و با یک فاصله ثابت از تکیه گاه به اهرم وارد شوند باعث ایجاد تعادل در اهرم می شوند.

اگر دو نیرو در خلاف جهت هم به اهرم وارد شوند  زمانی تعادل بوجود می اید که حاصلضرب یک نیرو در بازوی محرک ( فاصله بین نیرو تا تکیه گاه ) برابر با حاصلضرب اندازه نیروی دیگر در بازو باشد.

حاصل ضرب نیرو در بازوی نیرو برابر با گشتاور نیرو است. 

بر اساس قوانین فیزیک ، زمانی تعادل برقرار می شود که مجموع گشتاور نیروهایی که خلاف جهت حرکت ساعت وارد می شوند برابر با مجموع گشتاور نیروهایی باشد که در جهت حرکت ساعت وارد می شوند. 

بنابراین برای غلبه بر یک نیروی بزرگ در یک فاصله نزدیک نیاز داریم از یک نیروی کوچک در فاصله دور از تکیه گاه استفاده کنیم . 

فرمول تعادل در اهرم ها

اگر دو چشم روی یک اهرم با یک تکیه گاه قرار گرفته باشند ، چهار کمیت اصلی قابل اندازه گیری داریم :

M1 = نیروی متحرک 

a =  فاصله از تکیه گاه تا نیروی محرک

M2 = نیروی مقاوم یا بار 

b  = فاصله  نیروی مقام از تکیه گاه

در اینجا یک اهرم ایده آل در حالت متعادل را بررسی می کنید که هیچ نیروی اصطکاکی بین اهرم و تکیه گاه وجود ندارد و هیچ نیروی دیگری مانند وزش نسیم تعادل اهرم را به هم نمی شود. 

اگر فاصله از تکیه گاه یکسان باشد یعنی  a = b  ، در صورت یکسان بودن وزنه ها  M1 = M2 ، اهرم در حالت تعادل خواهد بود بنابراین اگر وزن یکی از وزنه ها را بدانید به سادگی میتوانید وزن ، وزنه دیگر اهرم را تعیین کنید درست همان کاری که هنگام وزن کردن با ترازوهای قدیمی دو کفه ای انجام می شود.

اگر a با b برابر نباشد بنا بر کشف ارشمیدس برای حفظ تعادل اهرم باید حاضلظرب جرم و فاصله دو طرف اهرم رابطه زیر برقرار باشد . 

M1*a = M2*b

با بررسی این فرمول متوجه می شویم که اگر فاصله یک طرف اهرم را دو برابر نماییم ، برای حفظ تعادل باید جرم آن طرف ، نصف شود. یعنی :

a = 2b

M1 * a = M2 * b

2 *  M1 =  M2

M1 = 0.5 * M2

اگر در مثال بالا فرض را بر این بگذارید که M2 = 1000   باشد و M2 = 250  باشد برای ایجاد تعادل در اهرم باید  a = 4b شود .

انواع اهرم های ساده

آشنایی با انواع اهرم 

به طور کلی انواع اهرم به 3 دسته تقسیم می شوند . تفاوت بین انواع اهرم به محل نیرو ، محل تکیه گاه و محل بار بستگی دارد. هر سه نوع اهرم ، کار را آسان میکنند ولی به روش های مختلف این کار را انجام میدهند. 

اهرم نوع اول : نیروهای ورودی و خروجی در دو طرف مخالف تکیه گاه قرار دارند و اهرم جهت نیروی وارد شده را تغییر میدهد. 

اهرم نوع دوم : هر دو نیروی ورودی و خروجی ر یک طرف تکیه گاه قرار دارند و جهت نیروی اعمال شده تغییر نمی کند. نیروی محرک نسبت به نیروی مقاوم دورتر از تکیه گاه است. نیروی مقاوم بیشتر از نیروی محرک است و مزیت مکانیکی ایده آل بیشتر از 1 است .

اهرم نوع سوم : نیروی محرک نزدیک از نیروی مقاوم به محل تکیه گاه است و نیروی خروجی کمتر از نیروی ورودی است و مزیت مکانیکی ایده آل کمتر از 1 است. 

نمونه ابزار های اهرم نوع اول

اهرم نوع اول

اهرم نوع اول

اهرم نوع اول به عنوان ابزاری مناسب برای بلند کردن اجسام با نیروی کم شناخته می شوند. 

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

در حالت کلی فاصله کمتر بین تکیه گاه و بار نسبت به فاصله نیروی محرک تا تکیه گاه باعث می شود برای حرکت دادن بار ، نیروی کمتری مصرف شود.

مثال اهرم نوع اول :

الاکلنگ ، جک ماشین ، دیلم و قیچی

اهرم نوع دوم

اهرم نوع دوم

در اهرم نوع دوم نیروی مقاوم یا بار بین نیروی محرک و تکیه گاه قرار می گیرد.

در این اهرم هر چه نیروی مقاوم یا بار فاصله کمتری با تکیه گاه داشته باشد ، نیروی محرک کمتری برای حرکت دادن بار نیاز داریم ولی اگر بار به نیروی محرک نزدیک تر باشد ، نیروی بیشتری برای حرکت دادن بار نیاز خواهیم داشت. 

در اهرم نوع دوم هر چه فاصله بین نیروی مقاوم و تکیه گاه کمتر باشد ، نیروی کمتری برای حرکت دادن بار نیاز داریم.

مثال اهرم نوع دوم :

فرغون ، پارو ، درباز کن بطری ، چرخ دستی ، فندق شکن ، پدال ترمز ماشین ، ناخن گیر

اهرم نوع سوم

اهرم نوع سوم 

در اهرم نوع سوم ، نیروی محرک بین نیروی مقاوم و تکیه گاه قرار دارد و هر چه فاصله بین بار و نیروی محرک بیشتر باشید ، مزیت مکانیکی اهرم نوع سوم بیشتر خواهد شد.

بر خلاف دو اهرم قبلی ، در این نوع اهرم جهت نیرو و حرکت بار یکسان است. 

در اهرم نوع سوم جهت یا قدر نیرو تغیری نمی کند و مزیت استفاده از اهرم نوع سوم به این دلیل است که نیروی خروجی در مسافت بیشتری نسبت به نیروی ورودی اعمال می شود.

مثال اهرم نوع سوم :

انبر باربیکیو ، جارو ، میله ماهیگیری ، موچین ، منگنه ، تله موش ، جارو ، چوب هاکی 

انواع اهرم در بدن انسان

انواع اهرم در بدن انسان

در بدن انسان ، تکیه گاه معمولا در مرکز مفاصل قرار دارد . نیروی مقاوم وزن بدن یا اجسام خارجی است و نیروی محرک نیروی عضلانی است. 

بیشتر اهرم های بدن انسان ، نوع سوم هستند که اجازه حرکت سریع را به اندام ها می دهند. 

برای اهرم نوع اول در زندگی روزمره میتوان اره برقی و الا کلنگ و در بدن انسان خم شدن سر به جلو را نام برد. برای اهرم نوع دوم در زندگی روزمره میتوان  چرخ دستی و در بدن انسان ساختار پا را مثال زد. برای اهرم نوع سوم در زندگی روزمره میتوان موچین و در بدن انسان حرکت دست و بازو را مثال زد. 

کاربرد انواع اهرم

ما روزانه در حال استفاده از اهرم ها هستیم ، هز زمان دری را باز میکنیم ، از موچین یا قیچی استفاده میکنیم در حال استفاده از اهرم ها هستیم . برخی سلاح های جنگی که در قدیم با استفاده از مزیت اهرم ها ساخته شده اند عبارتند از : نانچیکو ، منجنیق و برخی نیزه های خاص . 

بلندکردن اجسام سنگین 

برش زدن اجسام

بیرون کشیدن میخ یا باز کردن در بطری

حمل بارهای خیلی سنگین و حجیم

آسان کردن برداشتن وسایل

گردآوری : بخش علمی و آموزشی بیتوته