الآلات البسيطة: التاريخ ، الخصائص ، الأنواع ، الأمثلة - تقنية - 2026

على آلات بسيطة هي الأجهزة الميكانيكية التي تغيير حجم أو اتجاه القوة. يمكن تعريفها عمومًا على أنها أكثر الأجهزة عظامًا التي تستخدم ميزة ميكانيكية ، وتسمى أيضًا الرافعة المالية ، لزيادة القوة.

على مر التاريخ ، طور البشر أجهزة مختلفة لتسهيل العمل. تُعرف أهمها بالأنواع الستة للآلات البسيطة: الرافعة والعجلة والعمود والبكرة والمستوى المائل والإسفين والمسمار.

المصدر: جون ميلز

عندما تسمع كلمة آلة ، تفكر في شيء مثل الحفار أو المحرك البخاري. ومع ذلك ، في العلم الآلة هي أي شيء يجعل القوة أكبر.

يمكن للآلة أن تزيد من كمية القوة المنتجة ، على حساب التخفيض النسبي في المسافة التي يقطعها الحمل. الميزة الميكانيكية تسمى العلاقة بين القوة المنتجة والقوة المطبقة.

تستخدم الآلة البسيطة قوة مطبقة واحدة تعمل ضد قوة تحميل واحدة. تجاهل خسائر الاحتكاك ، والعمل المنجز على الحمل يساوي العمل الذي تقوم به القوة المطبقة.

كتل عنصرية

توجد آلات بسيطة في كل مكان ، تُستخدم يوميًا لأداء مهام بسيطة. كما تم استخدامها منذ الأيام الأولى للوجود البشري.

يمكن اعتبار الآلات البسيطة بمثابة الكتل الأولية التي تتكون منها جميع الآلات الأكثر تعقيدًا ، وتسمى الآلات المركبة.

في آلية الدراجة ، على سبيل المثال ، يتم استخدام البكرات والرافعات والعجلات. إن الميزة الميكانيكية للآلة المركبة ليست أكثر من نتيجة للمزايا الميكانيكية للآلات البسيطة التي تتكون منها.

ومع ذلك ، على الرغم من استمرار اعتبارها مهمة جدًا في علم الميكانيكا والعلوم التطبيقية ، فقد تجاوزت الميكانيكا الحديثة تلك الرؤية للآلات البسيطة باعتبارها الكتل الأولية التي تتكون منها جميع الآلات.

التاريخ

أفكار أولية

حوالي القرن الثالث قبل الميلاد. نشأ C. فكرة آلة بسيطة ، مع الفيلسوف اليوناني أرخميدس ، الذي درس الآلات البسيطة التالية: الرافعة والبكرة والمسمار.

اكتشف في الرافعة مبدأ الميزة الميكانيكية. تعليقه الشهير بخصوص الرافعة: "أعطني مكانًا أتحمل فيه وسأحرك الأرض" يعبر عن فهمه أنه لا يوجد حد لمقدار الزيادة في القوة التي يمكن تحقيقها باستخدام الميزة الميكانيكية.

حدد الفلاسفة اليونانيون في وقت لاحق خمس آلات بسيطة كلاسيكية وتمكنوا من حساب الميزة الميكانيكية لديهم.

على سبيل المثال ، في عمله الميكانيكا ، يسرد Heron of Alexandria (10-75 م) خمسة أجهزة يمكنها ضبط الحمل في الحركة: بكرة ، وعجلة ، وعمود ، ورافعة ، ومسمار ، وإسفين ، يوضح بالتفصيل تصنيعها واستخدامها.

ومع ذلك ، فإن معرفة الإغريق كانت مقتصرة على احصائيات الآلات البسيطة (ميزان القوى) ، ولا تشمل الديناميكيات ، أو مفهوم العمل أو المقايضة بين القوة والمسافة.

فترة النهضة

بدأت دراسة ديناميكيات القوى الميكانيكية ، كما كانت تسمى الآلات البسيطة ، خلال عصر النهضة ، من منظور إلى أي مدى يمكن رفع الحمل ، بالإضافة إلى القوة التي يمكن تطبيقها ، والتي أدت في النهاية إلى المفهوم الجديد عمل ميكانيكي.

استنتج المهندس الفلمنكي سيمون ستيفين الميزة الميكانيكية للطائرة المائلة في عام 1586. وقد تم تضمينها جنبًا إلى جنب مع الآلات البسيطة الأخرى.

وضع العالم الإيطالي جاليليو جاليلي في عام 1600 النظرية الديناميكية الكاملة للآلات البسيطة ، في عمله Le Meccaniche ، حيث كشف عن التشابه الرياضي الأساسي كمضخمات قوة لهذه الآلات. لقد كان أول من شرح أن الآلات البسيطة لا تخلق الطاقة ، بل قامت فقط بتحويلها.

اكتشف ليوناردو دافنشي القواعد الكلاسيكية لانزلاق الاحتكاك في الآلات ، لكن لم يتم نشرها أو توثيقها في كتابه التمهيدي. في عام 1699 ، أعاد غيوم أمونتونس اكتشاف هذه القواعد وفي عام 1785 طورها تشارلز أوغستين دي كولوم.

مميزات

الآلات البسيطة عبارة عن أجهزة لا تحتوي على أجزاء متحركة أو بها أجزاء متحركة قليلة جدًا ، مما يجعل العمل أسهل. الوظيفة الرئيسية للآلة البسيطة هي تضخيم القوة أو تعديل الحركة.

الحركة والقوة

الحركة والقوة في آلة بسيطة لا ينفصلان. هم دائما في علاقة عكسية.

القوة الناتجة عن الرافعة أكبر من القوة المطبقة عليها ، لكن الحركة الناتجة أقل من الحركة المطبقة. أي أن اكتساب القوة مصحوبًا بخسارة في الحركة.

مهنة

في الميكانيكا ، العمل شيء تفعله القوى عندما تتحرك في الاتجاه الذي تعمل فيه. أي عندما يتم تطبيق قوة لقطع مسافة ، يتم إنتاج الشغل. يتم التعبير عن ذلك رياضيًا على النحو التالي: العمل = القوة × المسافة.

على سبيل المثال ، لرفع جسم ما ، يجب القيام بعمل يفوق قوة الجاذبية وبالتالي تكون قادرًا على تحريك الجسم لأعلى.

لرفع جسم أثقل مرتين ، يتطلب الأمر ضعف الشغل لرفعه على نفس المسافة. سيستغرق رفع نفس الشيء ضعف المسافة أيضًا.

يعتبر مفهوم العمل هذا أساسيًا لتحديد الوظيفة الميكانيكية في الآلات البسيطة من حيث القوة والحركة ، مما يسلط الضوء على عدم الفصل بين القوة والحركة.

ميزة ميكانيكيه

إنها العلاقة بين القوة التي تؤدي العمل فيما يتعلق بالقوة المطبقة. لذلك ، فهي فعالية تضخيم القوة لآلة بسيطة.

تعني الميزة الميكانيكية للآلات البسيطة أنه يمكن استخدام قوة أقل لتحريك جسم ما ، ولكن يجب نقله لمسافة أطول.

في كثير من الأحيان تبدو المهمة صعبة لأنها تتطلب الكثير من القوة. يمكن أن يؤدي استخدام المفاضلة بين المسافة والقوة إلى تسهيل إكمال المهمة.

مثال على ذلك هو دفع جسم ثقيل إلى أسفل منحدر. من الأسهل دفع الجسم إلى أسفل المنحدر بدلاً من رفعه إلى الارتفاع الصحيح ، ولكن يجب حمله لمسافة أطول.

ما هي الآلات البسيطة؟

تعمل الآلات البسيطة على تسهيل العمل من خلال أداء واحدة أو أكثر من الوظائف التالية:

- نقل القوة من مكان إلى آخر.

- تغيير اتجاه القوة.

- زيادة مقدار القوة.

- زيادة مسافة القوة.

على الرغم من أن الآلات البسيطة تتخذ أشكالًا مختلفة ، إلا أنها تأتي في ستة أنواع أساسية:

- الوتد: جهاز لفصل الأشياء.

- العجلة والمحور: يستخدمان لتقليل الاحتكاك وكمضاعف للقوة.

- الرافعة: تتحرك حول نقطة ارتكاز لزيادة أو تقليل الميزة الميكانيكية.

- مستوى مائل: رفع الأشياء عند تسلق منحدر.

- برغي: جهاز يمكنه رفع أو تثبيت الأشياء معًا.

- بكرة: يغير اتجاه القوة.

زيادة القوة المطبقة

تساعد الآلات البسيطة البشر على زيادة القوة المطبقة على الجسم. أنها توفر ميزة ميكانيكية للمساعدة في تحريك الأشياء.

كما تشير معادلة العمل ، فإن الميزة الرئيسية للآلات البسيطة هي السماح بإنجاز نفس القدر من العمل من خلال تطبيق قدر أقل من القوة على مسافة أكبر.

على سبيل المثال ، تريد رفع جسم يزن 10 كيلوغرامات مترين عن الأرض. يمكن بذل 10 كجم من القوة على الجسم في اتجاه تصاعدي ، لمسافة 2 متر ، وبذلك تؤدي 20 نيوتن من الشغل.

إذا تم استخدام رافعة طولها 3 أمتار ، ضع الجسم في أحد طرفيه ووضع نقطة ارتكاز 10 سم أسفل الشريط على مسافة متر واحد من الكائن ، ثم لرفع الجسم ، يجب عليك دفعه لأسفل على الطرف الآخر باستخدام بقوة 5 كيلوغرامات فقط.

ومع ذلك ، يجب دفع نهاية الرافعة لأسفل 4 أمتار لرفع الجسم 2 متر فقط.

هناك مقايضة. يؤدي خفض الرافعة إلى مضاعفة المسافة السابقة ، ولكنه يقلل القوة المطلوبة بمقدار النصف ، مع القيام بنفس القدر من العمل.

أنواع

رافعة

إنه نوع من العارضة الصلبة التي لها نقطة ارتكاز ثابتة كنقطة دعم. وهو يتألف من حمولة ، وهو الشيء الذي يجب نقله أو رفعه ، ونقطة ارتكاز ، وهو المحور ، والجهد ، وهو القوة المطلوبة لتحريك أو رفع الحمل.

يؤدي تطبيق قوة على أحد طرفي الرافعة إلى إنشاء قوة أكبر في الطرف الآخر. ستزداد القوة المطبقة أو تنقص اعتمادًا على المسافة من نقطة الارتكاز إلى الحمل والضغط.

العجلة والمحور

يتكون من عجلة متصلة بمحور أصغر بحيث يدور هذان الجزآن معًا ، حيث تنتقل القوة من أحدهما إلى الآخر. المفصلة تدعم العمود ، مما يسمح بالدوران.

يسهل عمل الأجسام المتحركة عبر المسافات. العجلة ، وهي النهاية المستديرة ، تدور مع المحور الأسطواني ، مسببة الحركة.

يمكنه أيضًا تضخيم القوة. يمكن للقوة الصغيرة المطبقة على محيط عجلة كبيرة أن تحرك حمولة أكبر مرتبطة بالمحور.

بكرة

إنه مصمم لدعم الحركة وتغيير اتجاه الحبل المشدود. يلتف الحبل حول عجلة. عندما تدور العجلة ، يتحرك الحبل في أي اتجاه.

إذا كان الخطاف متصلاً بالحبل ، فيمكن استخدام دوران العجلة لرفع وخفض الأشياء ، مما يسهل العمل.

مستوى مائل

إنه سطح مستوٍ ، يكون أحد طرفيه أعلى من الآخر ، ويستخدم كدعم لرفع أو خفض الحمل. تستخدم على نطاق واسع لنقل الأحمال الثقيلة فوق العوائق الرأسية.

يتطلب تحريك جسم ما على مستوى مائل قوة أقل من رفعه مباشرة ، على حساب زيادة المسافة المقطوعة.

الميزة الميكانيكية للطائرة المائلة تساوي نسبة طول السطح المائل إلى الارتفاع الذي يغطيه.

مهد الحضارة

إنها أداة ثلاثية الشكل. يمكن استخدامه لفصل جسمين أو إزالة قطع من جسم ما أو رفعه أو تثبيت شيء ما في مكانه.

إنه يعمل عن طريق تحويل القوة المطبقة على نهايتها الحادة إلى قوى عمودية على سطحها المائل.

يتم الحصول على الميزة الميكانيكية من خلال العلاقة بين طول المنحدر والعرض.

برغي

إنها آلية تحول الحركة الدورانية إلى حركة خطية وقوة الدوران (عزم الدوران) إلى قوة خطية. البرغي هو نوع آخر من الطائرات المائلة.

يتكون شكله الأكثر شيوعًا من عمود أسطواني به أخاديد حلزونية تسمى الخيوط على طول الخارج.

يمر البرغي من خلال ثقب في كائن أو وسيط آخر مع خيوط داخلية تتشابك مع الخيوط اللولبية.

أمثلة

الرافعات

بعض الأمثلة على الرافعات هي مقابض الأبواب ، ومخالب على مطرقة إزالة الأظافر ، والرافعات الحديدية ، ومفاتيح الإضاءة ، وفتاحات الزجاجات ، والمفصلات.

المصدر: pixabay.com

العجلات والمحاور

تم العثور عليها حيث تدور الأشياء في دائرة ، مثل مروحة كهربائية ، محرك ، باب دوار ، دائري ، وأي عجلة ، سواء كانت في السيارة ، على لوح التزلج ، أو على دراجة.

المصدر: pixabay.com

البكرات

يتم استخدامها في الستائر والستائر لتحريكها لأعلى ولأسفل ، أو للخلف وللأمام.

يمكنهم إحضار شيء ما من الأرض ، مثل علم على عمود. تم سحب الحبل ، ولكن العلم يرتفع.

كما أنها تستخدم في الصناعة لرفع وخفض الأحمال الثقيلة ، أو على السفن لرفع وخفض الأشرعة ، أو في الرافعات التي تستخدم في نقل معدات البناء.

تستخدم المصاعد أيضًا البكرات لتحريك السيارة لأعلى ولأسفل من أرضية إلى أخرى.

المصدر: pixabay.com

الطائرات المائلة

يتم استخدامها في حدائق السكوتر ومنحدرات الكراسي المتحركة ولتحريك المعدات الثقيلة داخل وخارج الشاحنات.

توجد إصدارات معدلة من المنحدر على السلالم ، والسلالم المتحركة ، ومسارات المشي ، وحتى على الشرائح المستخدمة لإسقاط البريد في صندوق البريد ، وصولاً إلى القطار الذي يصعد منحدرًا.

المصدر: pexels.com

مهد الحضارة

بعض الأمثلة على الأوتاد المستخدمة للفصل يمكن أن تكون مجرفة أو سكينًا أو فأسًا أو معولًا أو منشارًا أو مقصًا أو معول ثلج.

يمكن للأوتاد أيضًا أن تجمع الأشياء معًا ، كما هو الحال في حالة الدبابيس أو المسامير أو المسامير أو المسامير أو حواجز الأبواب.

المصدر: pixabay.com

برغي

توجد بعض الأمثلة على المثقاب ، وغطاء الجرة ، والمصباح الكهربائي ، والمسمار ، وأغطية الزجاجات ، والحنفيات ، والأقلام.

هناك استخدام آخر للمسمار في جهاز يسمى المضخة اللولبية. إنها آلة هيدروليكية ضخمة على شكل لولب تدخل في الماء. عند الدوران ، بفضل شكله اللولبي ، يرتفع الماء إلى أعلى العمود الملتوي ، ليرتفع إلى حيث يحتاج إليه. غالبًا ما تستخدم المضخات اللولبية للري وفي البيئات الزراعية مثل المزارع.

المصدر: pixabay.com

المراجع

1. ويكيبيديا ، الموسوعة المجانية (2019). آلة بسيطة. مأخوذة من: en.wikipedia.org.
2. تلفزيون أيداهو العام (2019). الآلات البسيطة: حقائق. مأخوذة من: idahoptv.org.
3. جيم لوكاس (2018). 6 آلات بسيطة: جعل العمل أسهل. العلوم الحية. مأخوذة من: Livescience.com.
4. تدريس الهندسة (2019). الهندسة: آلات بسيطة. مأخوذة من: teachengineering.org.
5. للمعلمين للطلاب (2019). ما هي الآلات البسيطة؟ مأخوذة من: forteachersforstudents.com.au.
6. حكومة ولاية فيكتوريا (2019). ماكينات بسيطة. مأخوذة من: education.vic.gov.au.
7. فيكس آي كيو (2019). الأنواع الستة للآلات البسيطة. مأخوذة من: vexrobotics.com.