خلفية

تعتبر الآلات البسيطة مهمة للحياة اليومية ويمكن رؤيتها في المنزل أو المدرسة أو في ساحة اللعب. الآلات البسيطة هي أدوات تعمل على تغيير حجم و/أو اتجاه القوة لتسهيل العمل. وباستخدام الآلات البسيطة، يستطيع الأشخاص العاديون رفع الأحجار الكبيرة، ونقل الكتل لمسافات كبيرة، وحتى بناء الأهرامات.

في هذه الوحدة، سيتم تعريف الطلاب بالمفاهيم الفيزيائية للقوة والعمل، وأربعة أنواع من الآلات البسيطة: المستوى المائل، والعجلة والمحور، والرافعة، والتروس. سيتمكن الطلاب من التحقيق في كيفية تطبيق القوة لتسهيل العمل باستخدام 4 تصميمات تتميز بهذه الآلات البسيطة: المستوى المائل، ورافعة الموازنة، وسيارة زنبركية، وساعة. وسوف يكتسب الطلاب أيضًا نظرة ثاقبة على الأدوات التي تم استخدامها منذ العصور القديمة ولا تزال قيد الاستخدام حتى اليوم.

ما هي الآلة البسيطة؟

الآلة البسيطة هي أداة تعمل على تغيير حجم واتجاه القوة لتحريك جسم ما. الآلات البسيطة هي أجهزة تحتوي على أجزاء متحركة قليلة أو معدومة مما يجعل العمل أسهل. لقد كانت الآلات البسيطة موجودة منذ آلاف السنين ولا تزال مفيدة. في هذه الوحدة، سيتم تعريف الطلاب على أربعة أنواع من الآلات البسيطة: المستوى المائل، العجلة والمحور، الرافعة، و التروس.

ما هي القوة؟

القوة هي الدفع أو السحب على جسم ما. عندما يتم تطبيق قوة على جسم ما، وهذه القوة أيضًا غير معارضة، فإنها ستغير سرعة الجسم أو اتجاهه. يتم استخدام القوة لتحريك الأشياء من حولنا. سنعمل مع العديد من أشكال القوة في هذه الوحدة، بما في ذلك القوة المطبقة، والقوى المتوازنة وغير المتوازنة.

القوة المطبقة

تشير القوة المطبقة إلى القوة المطبقة على جسم ما. إذا قمت بدفع الكرسي الخاص بك عبر الغرفة، فإنك ستطبق القوة على الكرسي.

هناك قوى متوازنة وقوى غير متوازنة. القوى المتساوية ولكن المتعاكسة في الاتجاه تسمى قوى متوازنة. القوى المتوازنة لا تسبب حركة الجسم.

القوى المتوازنة وغير المتوازنة

القوى المتساوية ولكن المتعاكسة في الاتجاه تسمى قوى متوازنة. القوى المتوازنة لا تسبب حركة الجسم. مثال على القوة المتوازنة هو مجموعتان من الأشخاص يلعبان لعبة شد الحبل بنفس القدر من القوة. سيؤدي هذا إلى بقاء الحبل في مكانه نظرًا لأن القوى المتعارضة المطبقة على كلا الجانبين متكافئة.

ومع ذلك، فإن القوى غير المتوازنة سوف تتسبب في تحرك الجسم أو الأشياء. لنفترض أن أحد الفريقين في لعبة شد الحبل لدينا يسحب بقوة أكبر من الفريق الآخر، فإن القوى لن تكون متساوية بعد الآن. سيكون أحد الفريقين قادرًا على سحب الفريق الآخر في اتجاه القوة الأكبر.

القوى غير المتوازنة تسبب تغييرًا في حركة الجسم الذي يتم تطبيق القوة عليه. تستخدم الآلات البسيطة، مثل المستوى المائل، قوة غير متوازنة لتسهيل العمل. على سبيل المثال، من المعروف أن الأجسام تتسارع أسفل المستوى المائل، بسبب اختلال التوازن في قوة الجاذبية.

قوة الجاذبية

قوة الجاذبية هي القوة التي تجذب بها الأرض أو القمر أو أي جسم كبير آخر جسمًا آخر نحوه. حسب التعريف، هذا هو وزن الكائن. تخضع جميع الأجسام على الأرض لقوة جاذبية تتجه "إلى الأسفل" نحو مركز الأرض.

ما هو العمل؟

في العلوم، عمل هو استخدام القوة لتحريك جسم من نقطة بداية ثابتة. تجعل الآلات البسيطة العمل (تحريك الأشياء) أسهل.

التعريف العلمي للعمل هو مقدار القوة المطبقة على جسم مضروبة في المسافة التي تحركها الجسم. وهكذا فإن العمل يتكون من القوة والمسافة. تتطلب كل مهمة قدرًا معينًا من العمل لإنهائها، وهذا العدد لا يتغير. وبالتالي، فإن القوة مضروبة في المسافة تساوي دائمًا نفس مقدار العمل. وهذا يعني أنه إذا قمت بتحريك شيء ما لمسافة أصغر، فسوف تحتاج إلى ممارسة قوة أكبر. ومن ناحية أخرى، إذا كنت تريد بذل قدر أقل من القوة، فيجب عليك تحريكها لمسافة أكبر. هذه هي المقايضة بين القوة والمسافة.

ما هي الميزة الميكانيكية؟

الميزة هي عندما تحتاج إلى قوة أقل للقيام بنفس مقدار العمل لأنه يتم استخدام آلة بسيطة لزيادة وتغيير اتجاه القوة المطبقة. يمكن تعديل الميزة الميكانيكية لتلبية احتياجات محددة. هناك نوعان من الميزة الميكانيكية: السرعة وعزم الدوران.

ما هو عزم الدوران؟

عزم هو ميزة ميكانيكية تجعل ناتج الترس أو الآلة المدفوعة أكثر قوة. ينشأ عزم الدوران إذا تم استخدام القوة لبدء أو إيقاف جسم عن الدوران، كما هو الحال مع دوران التروس، والدوران الجزئي للرافعة. شاهد الرسوم المتحركة أدناه لرؤية ترس أصغر يحرك ترسًا أكبر للعمل على عزم دوران أكبر.

ما هي السرعة؟

السرعة هي المسافة يتحركها الجسم بمرور الوقت وهي ميزة ميكانيكية تجعل ناتج الترس أو الماكينة المدفوعة أسرع. فيما يتعلق بالتروس، السرعة تتناسب عكسيا مع عزم الدوران. إذا كانت السرعة مطلوبة في الإخراج، فيجب تقليل عزم الدوران. والعكس صحيح أيضًا، إذا كنت ترغب في الحصول على عزم دوران أو قوة أكبر عند الإخراج، فسوف تنخفض السرعة. شاهد الرسوم المتحركة أدناه لرؤية ترس أكبر يحرك ترسًا أصغر للعمل بسرعة أكبر.