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

اهرم ها با انواع مختلف به عنوان ماشین هایی هستند که برای سهولت در انجام کارها به کار گرفته می شوند.

تکیه گاه، نیروی مقاوم و مکان نیروی محرک سه عاملی هستند که بر اساس آن ها، اهرم ها به انواع مختلف تقسیم می شوند. بر اساس این ویژگی ها سه نوع اهرم وجود دارد. لازم به ذکر است که به این مطلب در کتاب های درسی علوم پایه های سوم و پنجم و هفتم نیز اشاره شده است. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به انواع اهرم ها و مباحث پیرامون آن ها می پردازیم.

اهرم چیست؟

اهرم ساده ترین ماشین است. از اهرم برای بلند کردن، کشیدن و چرخاندن اشیاء استفاده می شود. می توان از آچار پیچ گوشتی به عنوان اهرم برای باز کردن درب قوطی هایی مثل قوطی رنگ استفاده کرد. دستگیره ی در و آچار نیز مثال های دیگری برای اهرم ها هستند. همه ی اهرم ها دارای سه نقطه ی مشخص هستند. یکی نقطه ای که آن را می کشید یا می رانید، دوم نقطه ای که بار بر آن وارد می شود، و آخری نقطه ی اتکا است.

بعضی از اهرم ها، نظیر قیچی و انبر دست، به صورت جفت به کار می روند و یک تکیه گاه دارند. پره های چرخ را نیز می توان اهرم فرض کرد. اشخاصی که روی صندلی چرخ دار می نشینند، از این اهرم استفاده می کنند. در این صورت محور چرخ در حکم نقطه ی اتکا است.

اهرم ها به عنوان ماشین های اصلی

شما با استفاده از اهرم می توانید اثر نیرو و یا تلاشی را که به کار می برید، افزایش دهید. اهرم به تکیه گاه ثابت نیاز دارد. اگر نقطه ی تکیه گاه را با دقت انتخاب کنید، با وارد کردن نیرویی کوچک به یک سر اهرم، بار بزرگی را که در سر دیگر آن قرار دارد، بالا می برید. جسم های سنگین را می توان با استفاده از سطح شیب دار (هل دادن جسم ها روی سطح شیب دار به سمت بالا از بلند کردن آن ها راحت تر است)، غلتک (مانند غلتاندن سنگ های بزرگ روی تنه ی درخت ها) یا چرخ هایی که حول یک محور می چرخند، به راحتی جا به جا کرد.

در کل ماشین و اهرم وسایلی هستند که کار ها را برای ما آسان تر می کنند. ماشین های ساده کارهای آسان تر می کنند و به صورت بخش هایی از ماشین های پیچیده تر، به کار می روند. ماشین ها به شش گروه اصلی تقسیم می شوند. انواع اهرم، قرقره، چرخ و محور همه ی انواع را شامل می شوند، پیچ، سطح شیب دار و گوه (هر چیزی که دارای سطح شیب دار است) این شش گروه هستند.

تاریخچه انواع اهرم و نخستین ماشین ها

چرخ سفالگری، که پنج هزار و ۵۰۰ سال پیش در میان رودان اختراع شد، یکی از نخستین ماشین ها به حساب می آید. انواع اهرم ها و ماشین های اولیه ی دیگر، دوک نخ ریسی برای تاباندن الیاف و تولید نخ و ریسمان، دستگاه بافندگی برای تبدیل نخ به پارچه، و دستگاه شخم زنی یا همان خیش برای زیر و رو کردن خاک هستند. مسلمان ها با فراگیری دانش فنی از هندی ها و یونانی ها و ایرانیان باستان و کامل کردن آن توانستند انواع اهرم و ماشین هایی پیچیده بسازند که به کمک نیروی آب، جانوران و چرخ دنده، آب را از پایین به بالا جا به جا می کرد.

ارشمیدس، مخترع و دانشمند یونانی، پیچ بزرگی ساخته بود که به کمک آن، آب از پایین به بالا جا به جا می شد. نخستین اختراع های جنگی شامل دژ کوب ( برای شکستن دروازه ی قلعه ها) و منجنیق ( برای پرتاب گلوله های آتشین) بود. دندانه دار شدن، تحول مهمی در چرخ ایجاد کرد. چرخ دنده از تلفیق اصول چرخ و اهرم به وجود آمد.

ساختار یک اهرم

تکیه گاه یا پیوت، میله یا تخته، نیروی محرک یا نیروی ورودی و نیروی مقاوم یا بار، چهار قسمت مهم تشکیل دهنده ی ساختمان اهرم ها هستند. از اهرم های ساده تر گرفته تا اهرم های پیچیده تر، این بخش های اصلی و مهم در ساختمان همه ی آن ها وجود دارد. میله ی اهرم باید از یک ماده ی مقاوم و محکم و سخت تشکیل بشود، این میله می تواند فلزی و یا چوبی باشد. میله ی اهرم حول تکیه گاه و یا همان پیوت در گردش است.

انواع اهرم های ساخته شده از این بخش ها به راحتی در محل زندگی و اطراف ما وجود داشته و قابل مشاهده است. با به پایین سوق دادن یک سوی اهرم و یا همان وارد کردن نوعی نیروی محرک به آن، نیرویی نیز به بار وارد خواهد آمد. این امر در نتیجه ی حرکت اهرم حول پیوت و یا تکیه گاه خواهد بود. زیاد شدن و تغییر جهت نیروی محرک توسط انواع اهرم ها، انجام شدن کارها را تسهیل می کنند. محل قرار گیری اجزای مختلف اهرم ها در انواع مختلف آن ها متفاوت است. همین امر اهرم ها را به سه نوع مختلف و کلی تقسیم می کند.

انواع اهرم ها

همان طور که پیش تر اشاره کردیم، اهرم ها بر اساس محل قرار گیری اجزای اصلی مختلف آن ها و فاصله ی این بخش ها از هم، به سه دسته ی اصلی تقسیم می شوند. اهرم نوع اول، اهرم نوع دوم و اهرم نوع سوم سه نوع مختلف و اصلی اهرم ها هستند. محل وارد شدن نیرو، محل قرار گیری تکیه گاه و بار در انواع این اهرم ها متفاوت از همدیگر بوده و اختلاف این اهرم ها از یکدیگر را سبب می شوند. در ادامه به طور دقیق به هر یک از این انواع اهرم های اول، دوم، سوم و ویژگی های هر یک از آن ها می پردازیم.

اهرم نوع اول

مواردی که در آن ها تکیه گاه ما بین محل وارد شدن نیروی محرک و بار قرار گرفته باشد، اهرم های نوع اول هستند. در این نوع، با نزدیک تر شدن محل قرار گیری تکیه گاه به محل قرار گیری بار و یا همان نیروی مقاوم، نیروی محرکه ی مورد نیاز جهت حرکت دادن و جا به جایی بار کم تر خواهد شد. بر عکس این حالت، هر چه تکیه گاه به محل وارد شدن نیروی محرک نزدیک تر باشد، نیروی محرک مورد نیاز جهت حرکت دادن و جا به جا کردن بار بیشتر خواهد بود.

در حالت کلی، کم بودن فاصله ما بین محل قرار گیری تکیه گاه و بار جا به جایی بار را آسان تر و نیازمند به نیروی کمتری خواهد کرد. برای مثال اهرم های نوع اول می توان جک ماشین و دیلم و الاکلنگ و از این قبیل ابزارها را نام برد. اهرم های نوع اول از کاربردی ترین و کمک کننده ترین ابزار برای جا به جایی اجسام با استفاده از نیروی کم هستند.

اهرم نوع دوم

در  اهرم های نوع دوم، بار یا جسم و یا همان نیروی مقاوم ما بین محل وارد شدن نیروی محرک و محل قرار گیری تکیه گاه قرار دارد. هر چه فاصله ی ما بین نیروی مقاوم یا بار و تگیه گاه کم شود، نیروی محرک مورد نیاز جهت حرکت دادن و جا به جایی بار کمتر خواهد بود. بر عکس این پدیده، با کمتر شدن فاصله ی ما بین نیروی مقاوم یا بار و محل وارد شدن نیروی محرک، نیروی محرک مورد نیاز برای جا به جا کردن و حرکت دادن بار بیشتر خواهد بود.

در کل در اهرم های نوع دوم برای کاهش نیروی محرک مورد نیاز و سهولت جا به جایی بار، باید نیروی مقاوم و یا همان بار را در فاصله ی نزدیک از محل قرار گیری تکیه گاه قرار داد. در باز کن ها، فرغون، پارو و از این قبیل ابزار، مثال های مناسب و پر کاربردی برای اهرم های نوع دوم هستند. از دیگر ابزارهایی که از نوع اهرم نوع دوم هستند می توان چرخ دستی، فندق شکن، پدال ترمز ماشین، ناخن گیر و غیره را نام برد.

اهرم نوع سوم

اهرم هایی که در آن ها محل وارد شدن نیروی محرک در اهرم ما بین محل قرار گیری تکیه گاه و نیروی مقاوم و یا بار قرار گرفته باشد، اهرم های نوع سوم هستند. با زیاد شدن فاصله ما بین محل قرار گیری بار یا نیروی مقاوم و محل وارد شدن نیروی محرک، کارایی مکانیکی اهرم های نوع سوم بیشتر خواهد شد.

به عنوان مثال برای اهرم های نوع سوم ابزارهایی مانند انبرهای باربکیو، جارو و میله های ماهی گیری را نام برد. جهت حرکت بار و جهت نیروی در این نوع اهرم های نوع سوم یکسان است. از دیگر ابزارهایی که به عنوان اهرم نوع سوم هستند و کاربردی نیز هستند، مو چین، منگنه، تله ی موش و چوب هاکی و غیره را می توان نام برد.

اهرم های افزاینده نیرو

بیشتر اهرم ها افزاینده ی نیرو هستند یعنی نیروی مقاوم آن ها بیشتر از نیروی محرک است. آچار پیچ گوشتی هنگام باز کردن در قوطی رنگ چنین اهرمی است. نیروی کم رو به پایین وارد بر آچار به نیروی زیاد وارد از آچار به در قوطی رنگ تبدیل می شود. اما این افزایش، رایگان به دست نمی آید. باید دسته ی آچار را مقدار زیادی جا به جا کرد تا در قوطی رنگ اندکی حرکت کند.

برای افزایش نیرو به میزان زیاد، باید دسته ی اهرم دراز و در جای نیروی مقاوم به نقطه ی اتکا نزدیک باشد. زمانی که فاصله ی نیروی محرک از تکیه گاه بیش تر از فاصله ی نیروی مقاوم از آن است، اهرم مربوطه افزاینده ی نیرو خواهد بود.

اهرم های افزاینده ی حرکت

بعضی از اهرم ها به جای نیرو مقدار حرکت را افزایش می دهند. پاروی قایق چنین اهرمی است. وقتی دسته ی پارو را به سوی خود می کشید کفه ی آن در جهت مخالف، اما به میزان بیشتری، حرکت می کند. اما افزایش نسبت جا به جایی با کاهش نسبت نیرو همراه است. نیروی وارد بر کفه ی پارو کمتر از نیرویی است که بر دسته ی آن وارد می کنید. به طور کلی، در اهرم های افزاینده ی جا به جایی، با جا به جایی کم دست، بار را به فاصله ی بیشتری می توان جا به جا کرد اما باید نیروی محرک بیشتر باشد.

تقویت نیرو توسط اهرم های مختلف

گاهی یک پیچ می تواند جسم ها را آسان تر به سمت همدیگر بکشد یا آن ها را از هم دور کند ( مانند جک). در قرقره که به گونه ای اهرم می باشد برای تغییر جهت نیرویی که با کشش طناب وارد می شود، از چرخ هایی استفاده می کنند. گوه را برای جدا کردن و شکافتن اجسام مختلف استفاده می کنند. همگی این ابزار به نوعی اهرم هستند و عملی مشابه به آن را انجام می دهند.

در باز کن بطری هایی که در چوب پنبه ای دارند، از اهرم و پیچ ساخته شده است. زبانه ی مار پیچی، محکم به چوب پنبه متصل می شود. دو تیغه ی قیچی، اهرم دو گانه ای می سازند. نقطه ی اتصال دو تیغه به هم، نقطه ی ثابت اهرم یا تکیه گاه است و تیغه ها حول این نقطه در چرخش هستند. در باز کن قوطی کنسرو به مانند گوه عمل می کند. وقتی چرخ دنده ها حرکت می کنند، تیغه ی برنده، نیرو را به در قوطی کنسرو وارد می کند.

انواع اهرم ها و ماشین آلات به جای کارگرها

نیروی کارگر در جریان انقلاب صنعتی، به تدریج گران شده و از این رو مردم به فکر ساختن دستگاه هایی افتادند که بتوانند کار بیشتری انجام دهند. اساس کار و از مهم ترین اجزای این دستگاه ها و ماشین آلات، انواع اهرم ها و اساس کار آن ها بود. از صده ی هجدهم میلادی نوع جدیدی از صنعت ماشینی (خودکار) گسترش یافت. یک کارخانه ی تسحیلات نظامی در ماساچوست آمریکا، تولید ماشینی تفنگ فتیله ای برای ارتش را آغاز کرد.

در کشور انگلستان، ماشین هایی با استفاده از انواع اهرم ها طراحی شدند که سالانه حدود ده هزار قاب قرقره می ساختند. این ماشین ها نیروی دریایی سلطنتی را قادر ساخت که نیروی کار روی عرشه ی هر کشتی را از صد و ده نفر به ده نفر کاهش دهد. جک خودرو ممکن است از نوع دستی (اهرم پیچشی) و یا هیدرولیک باشد. این اهرم به گونه ای طراحی شده است که جسم سنگینی مانند خودرو را کم کم بالا ببرد. با چندین بار چرخاندن دسته، نیروی اندکی به کار می رود تا دو بازوی این اهرم به هم نزدیک شوند و خودرو را اندکی بالا ببرند. حتی همین وسیله نیزاز نیاز به نیروی انسانی کاسته است.

انواع اهرم علوم نهم

اهرم نوعی ماشین ساده است که در ساده ترین شکل خود، از دو بخش تشکیل شده است. یک میله صلب و یک تکیه گاه که به عنوان محور عمل می کند. استفاده از یک اهرم بلند کردن یا حرکت دادن یک جسم را آسان تر می کند. یعنی انجام کار روی یک شی را آسان‌ تر می ‌کند.

نیرویی که با اهرم به جسم وارد می شود، نیروی وارد بر بار نامیده می شود و نیرویی که از نظر فیزیکی باید به اهرم وارد کنید، تلاش نامیده می شود. ترفند برای بلند کردن آسان یک جسم با اهرم، فاصله بین نیروی وارد شده و جسمی است که به آن وارد می شود. وقتی از یک اهرم استفاده می کنیم، می توانیم نیروی کمی را در مسافت طولانی تری اعمال کنیم تا به جسمی که روی آن کار می کنیم نیروی بیشتری برسیم. بنابراین، اهرم ما را قادر می ‌سازد نیرویی را اعمال کنیم که ممکن است با قدرت خود نتوانیم آن را اعمال کنیم. برعکس، ما می ‌توانیم یک نیروی بزرگ نزدیک به تکیه ‌گاه اعمال کنیم تا جسمی را از فاصله‌ ای بیشتر از آنچه می‌توانیم به آن برسیم بلند کنیم.

در واقع سه “کلاس” مختلف از اهرم ها وجود دارد. آنها بیانگر سه ترتیب مختلف تکیه گاه، بار و تلاش بر روی یک جسم صلب هستند.

اهرم های کلاس ۱ با داشتن نقطه محوری بین نقطه تلاش و بار تعریف می شوند. نمونه هایی از این نوع اهرم می تواند الاکلنگ باشد. لازم به ذکر است که محور می تواند در هر نقطه ای از خط بین تلاش و بار باشد، نه فقط در مرکز.

در پیکربندی کلاس ۲ اهرم ها، بار در مرکز، بین محور و نقطه تلاش قرار دارد. نمونه هایی از اهرم های کلاس دو چرخ دستی یا بازکن بطری هستند.

اهرم های کلاس ۳ وسایلی هستند که در آنها تلاش یا نیرو بین بار و نقطه محوری اعمال می شود. نمونه ای از این نوع اهرم چیزی شبیه جارو خواهد بود.