مزیتِ مکانیکی: ماشین چند برابر کمک می‌کند؟
در باغچه سنگی بزرگ جا خوش کرده است. یک دیلمِ آهنیِ بلند برمی‌دارید، سرش را زیرِ سنگ می‌کنید، یک آجر زیرش می‌گذارید و سرِ دیگرش را پایین می‌دهید. سنگ بلند می‌شود! این دیلم زورِ شما را چند برابر کرد؟
نیروی محرک و نیروی مقاوم
در هر ماشین دو نیرو داریم:
- نیروی محرک: نیرویی که ما وارد می‌کنیم.
- نیروی مقاوم: نیرویی که ماشین باید بر آن غلبه کند؛ مثلاً وزنِ سنگ.
در اهرم، فاصله‌ی محلِ نیروی محرک تا تکیه‌گاه را بازوی محرک و فاصله‌ی نیروی مقاوم تا تکیه‌گاه را بازوی مقاوم می‌نامیم.
مزیتِ مکانیکی
مزیتِ مکانیکی یک ماشین می‌گوید ماشین نیروی ما را چند برابر می‌کند:
مزیتِ مکانیکی = اندازه‌ی نیروی مقاوم ÷ اندازه‌ی نیروی محرک
برای اهرمی که در تعادل است، از قانونِ گشتاورها نتیجه می‌شود که:
مزیتِ مکانیکیِ اهرم = بازوی محرک ÷ بازوی مقاوم
مثال دیلمِ شما ۱٫۵ متر است و آجر ۰٫۳ متر با سرِ زیرِ سنگ فاصله دارد. بازوی مقاوم ۰٫۳ متر و بازوی محرک ۱٫۲ متر است، پس مزیتِ مکانیکی ۱٫۲ ÷ ۰٫۳ = ۴ است. اگر سنگ ۱۲۰۰ نیوتون وزن داشته باشد، کافی است با ۱۲۰۰ ÷ ۴ = ۳۰۰ نیوتون سرِ دیلم را پایین بدهید.
مزیتِ مکانیکی عدد است و یکا ندارد، چون نیرو را بر نیرو (یا طول را بر طول) تقسیم کرده‌ایم.
مزیتِ کمتر از یک
همه‌ی ماشین‌ها نیرو را بزرگ نمی‌کنند. در موچین، جاروی دسته‌بلند و چوبِ ماهیگیری، دستِ ما نزدیکِ تکیه‌گاه نیرو می‌دهد و بار دورتر است. بازوی محرک از بازوی مقاوم کوتاه‌تر است، پس مزیتِ مکانیکی کمتر از یک است و نیروی بیشتری می‌دهیم. اما در عوض سرِ دیگرِ ابزار، راهِ بیشتری را سریع‌تر می‌رود؛ یعنی ماهی با یک تکانِ کوچکِ مچ از آب بیرون می‌پرد. مزیتِ مکانیکیِ برابرِ یک هم یعنی نیرو همان می‌ماند و فقط جهتش عوض می‌شود.
در خانه امتحان کنید
- با کمکِ یک بزرگ‌تر، یک میخ را با چکشِ دوسر (چکشی که پشتش شکاف دارد) از یک تخته بیرون بکشید.
- یک بار دسته را از نزدیکِ سرِ چکش بگیرید و یک بار از تهِ دسته.
- کدام آسان‌تر بود؟ تکیه‌گاه کجاست و بازوی محرک در کدام حالت بلندتر بود؟
واژه‌های این درس
- نیروی محرک - نیرویی که ما به ماشین وارد می‌کنیم.
- نیروی مقاوم - نیرویی که ماشین بر آن غلبه می‌کند.
- بازوی محرک و بازوی مقاوم - فاصله‌ی هر یک از این دو نیرو تا تکیه‌گاه.
- مزیتِ مکانیکی - نیروی مقاوم تقسیم بر نیروی محرک.
ایده‌ی اصلی
مزیتِ مکانیکی می‌گوید یک ماشین نیروی ما را چند برابر می‌کند. در اهرم برابرِ بازوی محرک تقسیم بر بازوی مقاوم است؛ بیشتر از یک یعنی نیروی کمتر، کمتر از یک یعنی حرکتِ سریع‌تر.