المجتهد92
2009-01-05, 06:11
:cool::rolleyes::rolleyes::rolleyes::rolleyes::rol leyes::rolleyes::rolleyes::rolleyes::rolleyes:الآل ات البسيطة:rolleyes::rolleyes::rolleyes::rolleyes::ro lleyes::rolleyes::rolleyes::rolleyes::rolleyes::ro lleyes::rolleyes::rolleyes::rolleyes:
تتكوّن معظم الآلات من أجزاء عدّة، مثل التّروس ومحمل الكريّات، وهي تعمل مع بعضها بعضًا بطريقة معقّدة. وبغض النظر عن مدى تعقيد هذه الأجزاء، فإن جميع الآلات تعتمد بطريقة أو بأخرى على ستّة أنواع من الآلات البسيطة. هذه الأنواع السّتة من الآلات هي : الذراع الرّافعة، والعجلة والمحور، والبكرة، والسّطح المنحدر، والإسفين، والقلاووظ.
الذراع الرّافعة : هناك ثلاثة أنواع أساسيّة من الأذرعة الرافعة اعتمادًا على نقطة توصيل الجهد، وموقع الثقل، وعلى موقع نقطة ارتكاز الرّافعة. ففي الفئة الأولى من الرّافعات، مثل العتلة، تكون نقطة الارتكاز عادةً بين الثّقل والجهد المبذول. أمّا في الفئة الثّانية من الرّافعات، مثل عربة اليد ذات العجلة الواحدة، فإن الثقل يقع بين نقطة الارتكاز والجهد المبذول. أما الفئة الثّالثة من الرّافعات، فيكون موقع الجهد المبذول بين الثّقل ونقطة الارتكاز، فمثلاً، عندما يرفع شخصٌ كُرَةً في كفه، يكون موقع الثّقل على اليد ونقطة الارتكاز هي الكوع، فالساعد يوفّر القوّة التي تحمل الكرة إلى أعلى .
العجلة والمحور: العجلة والمحور رافعة معدّلة، ولكن باستطاعتها أن تحرّك الثّقل مسافة أبعد من الرّافعة. ففي المِرفاع الذي يستخدم لرفع الماء من البئر، فإن الحبل الذي يحمل الثّقل يكون ملفوفًا حول محور العجلة. ويبذل الجهد من خلال قبضة العمود المرفقي الموجود في جانب العجلة. ويكون مركز المحور هو نقطة الارتكاز، فالميزة الميكانيكية للمرفاع تعتمد على النّسبة بين نصف قطر المحور والمسافة بين مركز المحور وقبضة العمود المرفقي.
لآلة العجلة والمحور استخداماتٌ مهمة لغرض نقل البضائع الثقيلة بالدّحرجة وليس بالانزلاق. فالعجلة نفسها تعتبر من أهم الاختراعات على مدى الوقت. فهي تستخدم بكثرة في جميع أنواع الآلات.
البكرة : عجلة يمرّ عليها حبل أو حزام. وتعتبر من أنواع ا لعجلة والمحور. الفعالية الميكانيكية للبكرة المفردة هي واحد، لأن القوّة المؤثرة في الحبل في الاتجاه السفلي تساوي الثقل المرفوع بالطرف الآخر من الحبل الذي يمر على البكرة والأهمية الرئيسية للبكرة الواحدة هي استطاعتها تغيير اتجاه القوّة. على سبيل المثال، فالشّخص يستطيع بكل سهولة أن يشدّ الحبل إلى أسفل مستخدمًا وزن جسمه لكي يرفع ثقلاً. ولكي تزيد الفعاليّة الميكانيكيّة، فإن بكرة واحدة توصل بدعامة ثابتة وأخرى توصل إلى الثّقل ويسمح لها بالحركة الحرّة.
السطح المنحدر ( المستوى المائل ) : السطح المنحدر جهاز بسيط قلّما يبدو كآلة على الإطلاق. فالشخص العادي لا يستطيع رفع صندوق وزنه 100كجم لمسافة متر واحد لحمله في مؤخرة شاحنة. ولكن بوضع لوح خشبي طوله 4م من الشاحنة إلى الأرض، يتسنّى للشخص رفع ذلك الصّندوق بسهولة. وإذا انعدم الاحتكاك، فإن القوة المطلوبة لرفع الصندوق ستكون 25كجم تمامًا، فالميزة الميكانيكية للسّطح المنحدر هي طول السّطح المنحدر مقسومًا على الارتفاع العمودي. وتزيد الميزة الميكانيكية كلمّا قلّ ظلّ السّطح المنحدر. ولكن يجب حمل الثّقل مسافة أطول. وبإضافة أسطوانات دوارة، يصبح من الممكن صنع ناقلة أسطوانات دوّارة للتّقليل من الاحتكاك ولزيادة الفعالية.
الإسفين : مقارب للسطح المنحدر. ويستخدم لرفع حمل ثقيل لمسافة قصيرة أو لفصل الأخشاب. وتستخدم المطرقة لطرق وإيلاج الإسفين. ويعتمد مدى تأثير الإسفين على زاوية طرفه الضئيل. وكلما صغرتْ هذه الزّواية، قلّت القوّة المطلوبة لرفع ثقل معين.
القلاووظ (المسمار الملولب) : هو في الواقع سطح منحدر ملفوف بشكل حلزوني حول عمود. والميزة الميكانيكية للقلاووظ هي تقريبًا النسبة بين محيطه والمسافة التي يتقدّمها في كل دورة.
البكّارة
البكّارة : جهاز يُستخدم لرفع الأثقال وتحريك المعدات الثقيلة ويتكون من حبال وبكرات. وتركب البكرات في أطر تسمى ذات البَكَر. ولكل بكرة كُلاَّب يثبتها إلى ما تستند إليه أو إلى الحمل. ولكل ذات بَكر بكرة واحدة، ولذات البكرتَين بكرتان، وهكذا.
الميزة الآلية أو الميكانيكية : تُستعمل عبارة الميزة الآلية لتُبيِّن الدرجة التي يُمكن لآلة بسيطة، مثل الرافعة أو البكرة والبكارة، أن تزيد مقدار القوة. وتساوي الميزة الآلية المثالية للبكرة والبكارة عدد أقسام الحبل الذي يدعم البكرة المتحركة. وللبكرة والبكارة الواحدة ميزة آليَّة تقدر بـ 2. وهذا يعني أن قوة جذب كيلوجرام واحد، يجب أن ترفع ما وزنه كيلوجرامين. (قوة كيلوجرام واحد، Kgf، تُعرَّف على أنها القوة المطلوبة لرفع كتلة كيلوجرام واحد. وهي تساوي 9,8 نيوتُن). أما من الناحية التطبيقية فقد تكون الحاجة ماسة إلى مزيد من الجهد للتغلب على الاحتكاك الذي يوجد دائمًا بين الحبل والبكرة. وبمعنى آخر، فإن الوزن الذي يمكن أن يُرفع بقوة جذب كيلوجرام واحد يكون أقل من كيلوجرامين. وعلى ذلك فإن الميزة الآليَّة الفعلية لبكرة وبكارة واحدة تكون أقل من كليوجرامين.
وتقلل زيادة البكرات مسافة تحرك الحمل، وبنفس المدى، فإن زيادة البكرات تزيد الميزة الآليَّة الإضافية. وعلى سبيل المثال فإن قوة جذب لقوة 10 كجم يمكن (دون اعتبار للاحتكاك) أن ترفع كتلة وزنها 20 كجم ببكرة واحدة. لكن قوة 10 كجم يجب أن تعمل على مسافة 12 سم لتقوم برفع وزن 20 كجم لارتفاع ستة سنتيمترات. وإذا كانت البكرة والبكارة مزدوجة فإن قوة ال 10 كجم نفسها ترفع ماوزنه 40كجم. ولكن المجهود الذي يُبذل الآن يجب أن يكون عند ارتفاع أكثر من 24 سم ليرفع كتلة 40 كجم ستة سنتيمترات.
السلسلة اللانهائية : وتسمى أيضًا الرافعة التفاضلية، لها بكرة واحدة في أسفل البكرة التي يُثبت عليها الحمل. وللبكرة العليا بكرتان بحجمين مختلفين. وتوصل هذه البكرات بعضها ببعض لتدور معًا. وتُدار البكرات العليا بجذب السلسلة من البكرة الأكبر، فيُرفع الحمل. وخلال الدوران تحمل البكرة الكبرى واحدًا من السلاسل التي يعتمد عليها الحمل وفي نفس الوقت تخفض البكرة الصغرى السلسلة الأخرى. ولأن البكرات تختلف في حجمها، فإن الكبيرة منها ترفع سلسلة أزيد مما تخفضه البكرة الصغيرة. ويرتفع الحِمِل نتيجة لذلك الفرق.
لكن ما هي البكرة و ما هي مكوناتها ؟
البكرة : عَجَلَة توضع مرتفعة يُلَفُّ عليها حبل أو سير؛ لنقل الطاقة والتشغيل. وعندما يلتف الحبل حول العجلة فإن حافتها تحزز. ومع ذلك فإذا التف حول العجلة سير فإن الحافة تأخذ شكلاً أسطوانيًا ويركب السير فوق أعلى جزء من الحافة.
وتتكون أبسط البكرات من عجلة محزَّزة على محور ثابت، والحبل الملتف حولها مربوط بالأحمال المراد رفعها. أما القوة المستخدمة فهي في النهاية الأخرى من الحبل. ومثل هذه البكرة لا تقدم أي فائدة آليَّة في عملية الرفع، ولكنها تغير اتجاه القوة التي تستهدف الحمل، ويكون ذلك مهمًا عندما يصعب إدراك الفراغ تحت الحمل مباشرة. وكذلك عندما يكون الحمل في قارب أو في حفرة أو يكون موقع التحميل زلقًا.
وعندما يتطلب الأمر قيام البكرة بحركة دوران دائمة فإن نهايتي الحبل أو السير ترتبطان معًا. أما البكرة الثانية المتصلة بمصدر الطاقة، فتحقق دورانًا دائمًا للبكرة الأولى. فإذا كانت البكرة المدورة والبكرة المدارة من الحجم نفسه، فإن المنفعة الوحيدة التي تتحقق هي اختيار الاتجاهات التي يمكن أن تأتي منها الطاقة. أما إذا كانت البكرتان من حجمين مختلفين، فمن الممكن تحقيق المنفعة لأي من السرعتين أو القوتين. ويمكن أن نعكس اتجاه دوران البكرة المدارة بإدخال الحبل أو السير بين البكرتين.
والنمط الثاني الأساسي من البكرات هو البكرة المتحركة. وفيها يكون الحمل متصلاً مع محور العجلة. وتتصل إحدى نهايتي الحبل الذي يمر عبرالبكرة بدعامة ثابتة أعلى الحمل، ويكون السحب إلى النهاية الأخرى من الحبل في الاتجاه نفسه، وبذلك يتحرك الحمل. والميزة الآلية للبكرة المتحركة تساوي 2. وهذا يعني أن السحب المستخدم للنهاية الخالصة من الحبل يحتاج ما يساوي نصف وزن الحمل. وكذلك يتحمل الحبل المتصل بالدعامة الثانية أيضًا نصف وزن الحمل.
تتكوّن معظم الآلات من أجزاء عدّة، مثل التّروس ومحمل الكريّات، وهي تعمل مع بعضها بعضًا بطريقة معقّدة. وبغض النظر عن مدى تعقيد هذه الأجزاء، فإن جميع الآلات تعتمد بطريقة أو بأخرى على ستّة أنواع من الآلات البسيطة. هذه الأنواع السّتة من الآلات هي : الذراع الرّافعة، والعجلة والمحور، والبكرة، والسّطح المنحدر، والإسفين، والقلاووظ.
الذراع الرّافعة : هناك ثلاثة أنواع أساسيّة من الأذرعة الرافعة اعتمادًا على نقطة توصيل الجهد، وموقع الثقل، وعلى موقع نقطة ارتكاز الرّافعة. ففي الفئة الأولى من الرّافعات، مثل العتلة، تكون نقطة الارتكاز عادةً بين الثّقل والجهد المبذول. أمّا في الفئة الثّانية من الرّافعات، مثل عربة اليد ذات العجلة الواحدة، فإن الثقل يقع بين نقطة الارتكاز والجهد المبذول. أما الفئة الثّالثة من الرّافعات، فيكون موقع الجهد المبذول بين الثّقل ونقطة الارتكاز، فمثلاً، عندما يرفع شخصٌ كُرَةً في كفه، يكون موقع الثّقل على اليد ونقطة الارتكاز هي الكوع، فالساعد يوفّر القوّة التي تحمل الكرة إلى أعلى .
العجلة والمحور: العجلة والمحور رافعة معدّلة، ولكن باستطاعتها أن تحرّك الثّقل مسافة أبعد من الرّافعة. ففي المِرفاع الذي يستخدم لرفع الماء من البئر، فإن الحبل الذي يحمل الثّقل يكون ملفوفًا حول محور العجلة. ويبذل الجهد من خلال قبضة العمود المرفقي الموجود في جانب العجلة. ويكون مركز المحور هو نقطة الارتكاز، فالميزة الميكانيكية للمرفاع تعتمد على النّسبة بين نصف قطر المحور والمسافة بين مركز المحور وقبضة العمود المرفقي.
لآلة العجلة والمحور استخداماتٌ مهمة لغرض نقل البضائع الثقيلة بالدّحرجة وليس بالانزلاق. فالعجلة نفسها تعتبر من أهم الاختراعات على مدى الوقت. فهي تستخدم بكثرة في جميع أنواع الآلات.
البكرة : عجلة يمرّ عليها حبل أو حزام. وتعتبر من أنواع ا لعجلة والمحور. الفعالية الميكانيكية للبكرة المفردة هي واحد، لأن القوّة المؤثرة في الحبل في الاتجاه السفلي تساوي الثقل المرفوع بالطرف الآخر من الحبل الذي يمر على البكرة والأهمية الرئيسية للبكرة الواحدة هي استطاعتها تغيير اتجاه القوّة. على سبيل المثال، فالشّخص يستطيع بكل سهولة أن يشدّ الحبل إلى أسفل مستخدمًا وزن جسمه لكي يرفع ثقلاً. ولكي تزيد الفعاليّة الميكانيكيّة، فإن بكرة واحدة توصل بدعامة ثابتة وأخرى توصل إلى الثّقل ويسمح لها بالحركة الحرّة.
السطح المنحدر ( المستوى المائل ) : السطح المنحدر جهاز بسيط قلّما يبدو كآلة على الإطلاق. فالشخص العادي لا يستطيع رفع صندوق وزنه 100كجم لمسافة متر واحد لحمله في مؤخرة شاحنة. ولكن بوضع لوح خشبي طوله 4م من الشاحنة إلى الأرض، يتسنّى للشخص رفع ذلك الصّندوق بسهولة. وإذا انعدم الاحتكاك، فإن القوة المطلوبة لرفع الصندوق ستكون 25كجم تمامًا، فالميزة الميكانيكية للسّطح المنحدر هي طول السّطح المنحدر مقسومًا على الارتفاع العمودي. وتزيد الميزة الميكانيكية كلمّا قلّ ظلّ السّطح المنحدر. ولكن يجب حمل الثّقل مسافة أطول. وبإضافة أسطوانات دوارة، يصبح من الممكن صنع ناقلة أسطوانات دوّارة للتّقليل من الاحتكاك ولزيادة الفعالية.
الإسفين : مقارب للسطح المنحدر. ويستخدم لرفع حمل ثقيل لمسافة قصيرة أو لفصل الأخشاب. وتستخدم المطرقة لطرق وإيلاج الإسفين. ويعتمد مدى تأثير الإسفين على زاوية طرفه الضئيل. وكلما صغرتْ هذه الزّواية، قلّت القوّة المطلوبة لرفع ثقل معين.
القلاووظ (المسمار الملولب) : هو في الواقع سطح منحدر ملفوف بشكل حلزوني حول عمود. والميزة الميكانيكية للقلاووظ هي تقريبًا النسبة بين محيطه والمسافة التي يتقدّمها في كل دورة.
البكّارة
البكّارة : جهاز يُستخدم لرفع الأثقال وتحريك المعدات الثقيلة ويتكون من حبال وبكرات. وتركب البكرات في أطر تسمى ذات البَكَر. ولكل بكرة كُلاَّب يثبتها إلى ما تستند إليه أو إلى الحمل. ولكل ذات بَكر بكرة واحدة، ولذات البكرتَين بكرتان، وهكذا.
الميزة الآلية أو الميكانيكية : تُستعمل عبارة الميزة الآلية لتُبيِّن الدرجة التي يُمكن لآلة بسيطة، مثل الرافعة أو البكرة والبكارة، أن تزيد مقدار القوة. وتساوي الميزة الآلية المثالية للبكرة والبكارة عدد أقسام الحبل الذي يدعم البكرة المتحركة. وللبكرة والبكارة الواحدة ميزة آليَّة تقدر بـ 2. وهذا يعني أن قوة جذب كيلوجرام واحد، يجب أن ترفع ما وزنه كيلوجرامين. (قوة كيلوجرام واحد، Kgf، تُعرَّف على أنها القوة المطلوبة لرفع كتلة كيلوجرام واحد. وهي تساوي 9,8 نيوتُن). أما من الناحية التطبيقية فقد تكون الحاجة ماسة إلى مزيد من الجهد للتغلب على الاحتكاك الذي يوجد دائمًا بين الحبل والبكرة. وبمعنى آخر، فإن الوزن الذي يمكن أن يُرفع بقوة جذب كيلوجرام واحد يكون أقل من كيلوجرامين. وعلى ذلك فإن الميزة الآليَّة الفعلية لبكرة وبكارة واحدة تكون أقل من كليوجرامين.
وتقلل زيادة البكرات مسافة تحرك الحمل، وبنفس المدى، فإن زيادة البكرات تزيد الميزة الآليَّة الإضافية. وعلى سبيل المثال فإن قوة جذب لقوة 10 كجم يمكن (دون اعتبار للاحتكاك) أن ترفع كتلة وزنها 20 كجم ببكرة واحدة. لكن قوة 10 كجم يجب أن تعمل على مسافة 12 سم لتقوم برفع وزن 20 كجم لارتفاع ستة سنتيمترات. وإذا كانت البكرة والبكارة مزدوجة فإن قوة ال 10 كجم نفسها ترفع ماوزنه 40كجم. ولكن المجهود الذي يُبذل الآن يجب أن يكون عند ارتفاع أكثر من 24 سم ليرفع كتلة 40 كجم ستة سنتيمترات.
السلسلة اللانهائية : وتسمى أيضًا الرافعة التفاضلية، لها بكرة واحدة في أسفل البكرة التي يُثبت عليها الحمل. وللبكرة العليا بكرتان بحجمين مختلفين. وتوصل هذه البكرات بعضها ببعض لتدور معًا. وتُدار البكرات العليا بجذب السلسلة من البكرة الأكبر، فيُرفع الحمل. وخلال الدوران تحمل البكرة الكبرى واحدًا من السلاسل التي يعتمد عليها الحمل وفي نفس الوقت تخفض البكرة الصغرى السلسلة الأخرى. ولأن البكرات تختلف في حجمها، فإن الكبيرة منها ترفع سلسلة أزيد مما تخفضه البكرة الصغيرة. ويرتفع الحِمِل نتيجة لذلك الفرق.
لكن ما هي البكرة و ما هي مكوناتها ؟
البكرة : عَجَلَة توضع مرتفعة يُلَفُّ عليها حبل أو سير؛ لنقل الطاقة والتشغيل. وعندما يلتف الحبل حول العجلة فإن حافتها تحزز. ومع ذلك فإذا التف حول العجلة سير فإن الحافة تأخذ شكلاً أسطوانيًا ويركب السير فوق أعلى جزء من الحافة.
وتتكون أبسط البكرات من عجلة محزَّزة على محور ثابت، والحبل الملتف حولها مربوط بالأحمال المراد رفعها. أما القوة المستخدمة فهي في النهاية الأخرى من الحبل. ومثل هذه البكرة لا تقدم أي فائدة آليَّة في عملية الرفع، ولكنها تغير اتجاه القوة التي تستهدف الحمل، ويكون ذلك مهمًا عندما يصعب إدراك الفراغ تحت الحمل مباشرة. وكذلك عندما يكون الحمل في قارب أو في حفرة أو يكون موقع التحميل زلقًا.
وعندما يتطلب الأمر قيام البكرة بحركة دوران دائمة فإن نهايتي الحبل أو السير ترتبطان معًا. أما البكرة الثانية المتصلة بمصدر الطاقة، فتحقق دورانًا دائمًا للبكرة الأولى. فإذا كانت البكرة المدورة والبكرة المدارة من الحجم نفسه، فإن المنفعة الوحيدة التي تتحقق هي اختيار الاتجاهات التي يمكن أن تأتي منها الطاقة. أما إذا كانت البكرتان من حجمين مختلفين، فمن الممكن تحقيق المنفعة لأي من السرعتين أو القوتين. ويمكن أن نعكس اتجاه دوران البكرة المدارة بإدخال الحبل أو السير بين البكرتين.
والنمط الثاني الأساسي من البكرات هو البكرة المتحركة. وفيها يكون الحمل متصلاً مع محور العجلة. وتتصل إحدى نهايتي الحبل الذي يمر عبرالبكرة بدعامة ثابتة أعلى الحمل، ويكون السحب إلى النهاية الأخرى من الحبل في الاتجاه نفسه، وبذلك يتحرك الحمل. والميزة الآلية للبكرة المتحركة تساوي 2. وهذا يعني أن السحب المستخدم للنهاية الخالصة من الحبل يحتاج ما يساوي نصف وزن الحمل. وكذلك يتحمل الحبل المتصل بالدعامة الثانية أيضًا نصف وزن الحمل.