ماشین‌ها: ورودی و خروجی
در یک ساختمانِ نیمه‌کاره، جرثقیلی بلند یک دسته میل‌گردِ آهنی را که چند تُن وزن دارد، تا طبقه‌ی دهم بالا می‌برد. همین کار را صد کارگر هم با دست نمی‌توانستند بکنند. اما راننده‌ی جرثقیل فقط چند اهرم را جابه‌جا می‌کند. ماشین‌ها چطور کاری را که از ما برنمی‌آید، ممکن می‌کنند؟
ورودی و خروجی
در علوم به هر وسیله‌ای که کار را آسان‌تر کند، ماشین می‌گوییم؛ از یک گردوشکن تا یک هواپیما. هر ماشین را می‌شود با دو چیز شناخت:
- ورودی: آنچه ما (یا یک موتور) به ماشین می‌دهیم تا کار کند؛ مثلاً نیروی دست روی دسته‌ی گردوشکن.
- خروجی: آنچه ماشین برای ما انجام می‌دهد؛ مثلاً نیروی بزرگی که پوستِ سختِ گردو را می‌شکند.
ورودی و خروجی را می‌شود با نیرو، با کار یا با انرژی سنجید. در دوچرخه، ورودی کارِ نیروی پا روی پدال است و خروجی، انرژیِ جنبشیِ دوچرخه و سوارش.
ماشین‌های پیچیده از ماشین‌های ساده
در دبستان با شش ماشینِ ساده آشنا شدیم: اهرم، سطحِ شیب‌دار، گُوِه، پیچ، قرقره و چرخ و محور. بیشترِ ماشین‌های اطرافِ ما از چند ماشینِ ساده ساخته شده‌اند که با هم یک هدف را دنبال می‌کنند. به این‌ها ماشینِ مرکب می‌گوییم.
جرثقیلِ آن ساختمان هم از قرقره‌ها، چرخ و محورها، اهرم‌ها و چرخ‌دنده‌ها ساخته شده است. حدودِ هزار سال پیش، ابن‌سینا در کتابی به نامِ «معیار العقول» توضیح داد که جرثقیل‌های زمانِ او چطور از اهرم، قرقره و چرخ و محور ساخته می‌شوند.
ماشین کار را کم نمی‌کند
ماشین‌ها جادو نمی‌کنند. یک ماشینِ ساده می‌تواند نیروی ما را بزرگ‌تر کند، اما در عوض باید آن نیرو را در راهی بلندتر وارد کنیم. یا برعکس، نیروی بیشتری بدهیم تا حرکتی سریع‌تر بگیریم. یا فقط جهتِ نیرو را عوض کند. اما کارِ خروجی هیچ‌وقت از کارِ ورودی بیشتر نمی‌شود. این همان قانونِ پایستگیِ انرژی است. در واقع همیشه کمی از کارِ ورودی به خاطرِ اصطکاک به گرما تبدیل می‌شود، پس کارِ خروجی کمی کمتر است.
در خانه امتحان کنید
- سه وسیله در آشپزخانه پیدا کنید: مثلاً قیچی، دربازکن و همزنِ دستی.
- برای هر کدام بنویسید ورودی‌اش چیست و خروجی‌اش چیست.
- در هر کدام چه ماشین‌های ساده‌ای می‌بینید؟ (راهنمایی: تیغه‌ی قیچی گُوِه است.)
واژه‌های این درس
- ماشین - وسیله‌ای که انجامِ کار را آسان‌تر می‌کند.
- ورودی - نیرو، کار یا انرژی‌ای که به ماشین می‌دهیم.
- خروجی - کاری که ماشین برای ما انجام می‌دهد.
- ماشینِ مرکب - ماشینی که از چند ماشینِ ساده ساخته شده است.
ایده‌ی اصلی
هر ماشین ورودی‌ای می‌گیرد و خروجی‌ای می‌دهد. ماشین‌ها نیرو را بزرگ‌تر یا جهتش را عوض می‌کنند، اما کارِ خروجی هرگز از کارِ ورودی بیشتر نیست.