شرح درس الآلات – الشغل والطاقة والآلات البسيطة

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

شرح درس الآلات – الشغل والطاقة والآلات البسيطة

نبدأ على بركة الله

أمثلة على الآلات البسيطة :

- فتاحة الزجاجات

- مفك البراغي

فوائد الآلات :

لندرس فتاحة الزجاجات المبينة في الشكل 3-9 , فعندما تستخدم هذه الأداة فإنك ترفع طرفها البعيد , لذا تكون قد بذلت شغلا على الفتاحة , التي تبذل شغلا على الغطاء عندما ترفعه . ويسمى الشغل الذي بذلته أنت في هذه الحالة الشغل Wi , أما الشغل الذي بذلته الأداة فيسمى الشغل الناتج w₀

ملاحظة : الشغل هو عملية انتقال الطاقة بالطرق الميكانيكية . فأنت خزنت شغلا في الأداة كفتاحة الزجاجات مثلا , لذا تكون قد نقلت طاقة إلى الأداة . وفي المقابل بذلت فتاحة الزجاجات شغلا على الغطاء , ولذا فقد نقلت الطاقة إليه .لا تعد فتاحة الزجاجات مصدر طاقة , ولذلك لا يكتسب الغطاء طاقة تزيد على كمية الطاقة التي خزنتها في فتاحة الزجاجات . وهذا يعني أن الشغل الناتج لا يمكن ان يكون اكبر من الشغل المبذول .

الفائدة الميكانيكية :

إن القوة التي أثرت في الآلة بواسطة شخص ما تسمى القوة المسلطة F_e , أو اختصارا القوة . أما القوة التي أثرت بها الآلة فتسمى المقاومة F_r . يبين لنا الشكل 3-9a أن F_e (القوة) هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة الشخص عند استخدام فتاحة الزجاجات , وأن (المقاومة) F_r هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة فتاحة الزجاجات , وتسمى نسبة المقاومة إلى القوة F_r/F_e الفائدة الميكانيكية MA للآلة .

الفائدة الميكانيكية : MA = Fr/Fe

الفائدة الميكانيكية للآلة تساوي ناتج قسمة المقاومة على القوة .

ملاحظة : عندما تكون الفائدة الميكانيكية أكبر من 1 فإن الآلة تعمل على زيادة القوة التي أثر بها شخص ما .

يمكننا أن نعبر عن الفائدة الميكانيكية للآلة بطريقة أخرى وذلك باستخدام تعريف الشغل :

حيث w_e = F_ed_e و w_r = F_r d_r

ويمكننا إعادة كتابة المعادلة على الصورة

تذكر أن الفائدة الميكانيكية يعبر عنها بالمعادلة

لذا فإن الفائدة الميكانيكية المثالية (IMA) تساوي إزاحة القوة مقسومة على إزاحة المقاومة .

الكفاءة :

ملاحظة : يكون الشغل المبذول في الآلات الحقيقية أكبر من الشغل الناتج . وإن إزالة الطاقة من النظام تعني أن هناك نقصانا في الشغل مما يجعل الآلة أقل كفاءة وفاعلية عند إنجاز المهمة .

هناك قانونين يمكننا استعمالها عند إيجاد الكفاءة :

1- الكفاءة :

إن كفاءة الآلة (كنسبة مئوية %) تساوي الشغل الناتج مقسوما على الشغل المبذول مضروبا في العدد 100 .

2- الكفاءة بدلالة الفائدة الميكانيكية والفائدة الميكانيكية المثالية :

إن كفاءة الآلة (كنسبة مئوية % ) تساوي فائدتها الميكانيكية مقسومة على فائدتها الميكانيكية المثالية مضروبة في العدد 100 .

ملاحظة : جميع الآلات الحقيقية كفاءتها اقل من 100%

ملاحظة : يحدد تصميم الآلات فائدتها الميكانيكية المثالية , فالآلة ذات الكفاءة العالية لها فائدة ميكانيكية تساوي غالبا كفاءتها الميكانيكية المثالية , وللحصول على قوة المقاومة نفسها فإنه يجب التأثير بقوة أكبر في الآلة ذات الكفاءة المتدنية مقارنة بالآلة ذات الكفاءة العالية .

الآلات المركبة :

تتكون معظم الآلات بغض النظر عن مستوى تعقيدها من آلة بسيطة واحدة أو أكثر من الآلات التالية :

الرافعة , البكرة , الدولاب والمحور , المستوى المائل , الوتد (الإسفين), البرغي . انظر الشكل التالي :

إن الفائدة الميكانيكية المثالية (IMA) لكل الآلات الموضحة في الشكل السابق هي النسبة بين المسافات المقطوعة , ويمكن استبدال هذه النسبة للآلات كالرافعة والدولاب والمحور بنسبة المسافات بين النقاط التي أثرت عندها كل من القوة والمقاومة ونقطة الارتكاز .

من أمثلة الدولاب والمحور : عجلة القيادة والتي تكون الفائدة الميكانيكية المثالية لها هي النسبة بين قطري الدولاب والمحور . انظر الشكل 3-12

الآلة المركبة : هي الآلة التي تتكون من آلتين بسيطتين أو اكثر ترتبطان معا , بحيث تصبح المقاومة لإحدى هذه الآلات قوة (مسلطة) للآلة الأخرى .

الفائدة الميكانيكية للآلة المركبة (MA) تساوي حاصل ضرب الفوائد الميكانيكية للآلات البسيطة التي تتكون منها .

آلة المشي البشرية :

إن جسم الإنسان مزود أيضا بآلات بسيطة على هيئة رافعات تمنحه القدرة على السير والركض , إلا ان أنظمة الرافعات في جسم الإنسان اكثر تعقيدا ولكل نظام الأجزاء الرئيسية التالية :

- قضيب صلب (العظام)

- مصدر قوة (انقباض العضلات)

- نقطة ارتكاز (المفاصل المتحركة بين العظام )

- مقاومة (وزن جزء الجسم أو الشيء الذي يتم رفعه أو تحريكه )

يوضح الشكل السابق الأجزاء المكونة لنظام الرافعة في قدم الإنسان . إن قيمة كفاءة النظام للروافع في جسم الإنسان ليست عالية , والفوائد الميكانيكية لها محدودة وهذا يفسر حاجة الجسم إلى الطاقة (حرق السعرات الحرارية ) في حال المشي أو العدو البطيء مما يساعد الناس على التقليل من الوزن .

ملاحظة : إن الأشخاص طوال القامة لديهم أنظمة رافعة فائدتها الميكانيكية اقل من الأشخاص القصار القامة . بينما يستطيع طوال القامة المشي اسرع ولكن ذلك يتطلب منه التأثير بقوة أكبر لتحريك الرافعة الطويلة المكونة من عظام الساق .

تم بحمد الله

نستقبل أسئلتكم واستفساراتكم واقتراحاتكم في خانة التعليقات

" نرد على جميع التعليقات "

بالتوفيق للجميع ...^_^