[ شرح ] الآلات الستة البسيطة في عالم الميكانيكا | The six simple machines in mechanics world

[أبو المعاليأبو المعالي is verified member.]

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته جميعًا

موضوعنا اليوم سيكون أحد أهم المواضيع الأساسية في عالم الميكانيكا ألا وهو :
الآلات البسيطة

الآلات البسيطة أو Simple machines هي مجموعة من الآلات الأساسية التي تتمتع بميزة ميكانيكية (mechanical advantage) تميز كل منها عن غيرها
و سميت بالأساسية لأنها الأساس الذي يبنى عليه أي جهاز ميكانيكي

فأي جهاز ميكانيكي إما أن يكون قائم على نوع واحد من هذه الألات أو على عدد من الأنواع مجتمعة

قانون أساسي في عالم الميكانيكا هو : ​

الشغل (work) = القوة (Force) * المسافة (Distance)

و هناك قانون أخر و هو
القوة (Force) = الكتلة (mass) * التسارع (acceleration)

فيصبح لدينا القانون النهائي
الشغل (work) = [الكتلة (mass) * التسارع (acceleration)] * المسافة (Distance)​

قلنا بأن الألات البسيطة تستخدم على نطاق واسع بل هي أساس أي جهاز ميكانيكي حتى الأن و لكن ما الذي تقوم به, أي ما استخدامات الآلات بشكل عام من الناحية الميكانيكية ؟​

1- تحويل الطاقة​	فطاحونة الهواء تعمل على تحويل الطاقة في الرياح إلى طاقة ميكانيكية تقوم بتدوير شفراتها ما يتم إستخدامه تحويله لاحقا لطاقة كهربائية في المولد و لكن هذا ليس علمنا فلنركز على الجانب الميكانيكي​	​
2- نقل الطاقة​	ففتاحة العلب تقوم بنقل الطاقة من يدك و عضلاتك التي حصلت عليها من الطعام و الكثير من العمليات الكيميائية فالمهم تنقل الطاقة أو القوة من يدك إلى طرف العلبة ما يؤدي ليزادة القوة عليها بنقطة معينة ما يؤدي لفتحها​	​
3- مضاعفة القوة و تغيير إتجاهها​	نظام من البكرات يمكننا من تغيير مقدار و إتجاه القوة و بالطبع عندما نقوم بزيادة شيء يقل شيء أخر و العكس صحيح فعندما نقلل القوة الللازم لرفع ثقل معين بإستخدام البكرات فإن مسافة السحب ستزيد و سنوضح هذه النقاط بتفصيل أكثر لاحقا إن شاء الله​	​
4- مضاعغة السرعة و تغيير إتجاهها ​	نظام من التروس يمكننا من تغيير مقدار و إتجاه السرعة فعندما نعمل على زيادة السرعة من خلال التروس يقل العزم و العكس صحيح​	​

​

---

و الأن فلنبدأ بشرح الألات البسيطة الستة

​

الألة الأولى : الرافعات (Levers)​

الرافعات أو كما يمكن أن تسمى بالعتلة, هي ألة لها العديد من التطبيقات و ربما هي إحدى أولى الألات البسيطة التي رأيناها و موجودة بأجسامنا

الألات البسيطة تقوم على 3 أمور أساسية و هي ​

1. نقطة الإرتكاز (Fulcrum/pivot point) ​
2. قوة الدخل (Input)​
3. قوة الخرج (output)​

و هناك 3 أنواع من الرافعات و لكل منها خصائصها و لكن طريقة التمييز بينها قائمة على مكان كل من نقطة الإرتكاز و قوة الدخل و قوة الخرج​

​	ما خصائص هذا النوع​	أمثلة عليه​	صورة توضيحية​
رافعات النوع الأول​	في هذا النوع من الرافعات و هو النوع المشهور تكون نقطة الإرتكاز بالمنتصف و قوتا الدخل و الخرج على الطرفين​	1. لعبة ال see-saw 2. ال crowbar 3. المجاديف بالقارب 4. مفك البراغي لفتح سطل الدهان 5. المقص (هو بالفعل رافعتين متعاكستين)​	​
رافعات النوع الثاني​	في هذا النوع من الرافعات تكون قوة الخرج بالمنتصف و نقطة الإرتكاز و قوة الدخل على الطرفين​	1. فتاحة المشروبات الغازية التي تكون عبارة عن قطعة معدنية لغلق الزجاجة 2. قدم الإنسان​	​
رافعات النوع الثالث​	في هذا النوع من الرافعات تكون قوة الدخل بالمنتصف و على الطرفين نقطة الإرتكاز و قوة الخرج​	1. ذراع الإنسان​	​

و الآن لمزيد من التفصيل
القانون الأساسي في الرافعات بكل أنواعها F1 * d1 = F2 * d2

في الرافعات من النوع الأول و الثاني نحن نعمل على زيادة المسافة d1 لكي يسهل علينا زيادة القوة المؤثرة على الجسم الثاني F2 أما في النوع الثالث من الرافعات فالوضع يختلف فنحن نزيد القوة التي نؤثر بها F1 لكي يتم زيادة المسافة التي يتحرك بها الجسم d2

سؤال بسيط لتمكين الفكرة :
إذا علمت أن الدوائر الحمراء تمثل نقاط الإرتكاز فذكر كل نوع من أنواع الرافعات ؟

بداية نقطة الإرتكاز الأولى هي بالمنتصف بين قوتي الدخل و الخرج (رافعات النوع الأول)
نقطة الإرتكاز الثانية تقع على الطرف و بالمنتصف الحمل (رافعات النوع الثاني)
نقطة الإرتكاز بالطرف و بالمنتصف الدخل (رافعات النوع الثالث)

و يمكنك ربطها بمثال لها لتسهيل الحل
ففي النوع الأول يمكنك تشبيهها بال see-saw
أما الثاني بالعربة المحملة بأكياس المال
أما الثالث بذراع إنسان التي تقوم بحمل قطعة معدنية

استنتاج بسيط: بخصوص لعبة ال see-saw
تخيل معي شخصين أحدهما صاحب كتلة أكبر من الثاني و يبعدان نفس المسافة عن نقطة المحور فبالحالة الطبيعية يجب أن يبقى صاحب الكتلة الأكبر في الأسفل و صاحب الكتلة الأخف في الأعلى و لكن هذا لا يحصل عمليا فيمكنك أن ترى رجل كبير و ولد صغير و أحدهما يرتفع و ينخفض و لكن لماذا ؟
ستقول بسيطة عندما يقوم الرجل الكبير (صاحب الكتلة الأكبر) بالتأثير على الأرض بقدمه يرتفع, الإجابة صحيحة و لكن غير دقيقة
فمن أجل الدقة نحن نعلم أن هناك قوة مؤثرة على الرجل الكبير و هي قوة الجاذبية الأرضية (F = m * 9.8) و بالطبع إن كنا على أي كوكب غير الأرض فإن قيمة التسارع أو ال 9.8 تختلف
المهم فلدينا قوة تسمى Fg تجذب صاحبنا للأرض (للأسفل) على فرضا كانت 10 أما للطفل الصغير لأن كتلته أقل كانت 5
فما يحدث عندما أقول بدفع قدمي للأرض أنني أقوم بإنشاء قوة مؤقتة عامودية Fn للأعلى (عكس إتجاه Fg)
و القوة عندما تتعاكس يتم طرحها فيقل مقدار القوة المؤثرة علي من الأرض إلى 3 مثلا على فرضا كانت fn = 7 نيوتن
فالمهم هنا أصبحت القوة المؤثرة علي أقل من القوة المؤثرة على الطفل و بما أننا على نفس المسافة فسأرتفع أنا لفترة مؤقتة إلى أن ينتهي تأثير القوة بسبب استمرار دفع الجاذبية الأرضية لي

​

الألة الثانية : البكرات (Pulleys)​

البكرات هي إحدى الألات الميكانيكية البسيطة تنقسم لنوعين أساسيات على حسب النظام الذي يتم عمله بها فتنقسم إلى نظام مغلق و نظام مفتوح و هو أكثرها شهره

- النظام المغلق : هو النظام الموجود في المحركات و السيارات بشكل عام و من أشهر الامثلة عنه نظام التوقيت في السيارات (Timing belt)

محتوى مخفي: للمزيد من المعلومات عن نظام التوقيت

ال Timing belt (قشاط التايمر)= هو حزام مطاطي مسنن يربط بين عمود الكامات (Camshaft) وعمود المرفق (Crankshaft)، مما يضمن تزامن حركة الصمامات مع حركة المكابس داخل المحرك.
إذا لم يكن هناك تزامن صحيح بين حركة الصمامات والمكابس، فقد يؤدي ذلك إلى اصطدام المكابس بالصمامات، مما قد يسبب أضرارًا جسيمة في المحرك، مثل انحناء الصمامات أو كسر أجزاء داخلية مهمة.

النظام المغلق يعمل على نقل الدوران بين المحاور

البكرات بين ال input وال output تسمى idlers و لا يوجد فائدة منها إلا أنها تقوم بتوجيه الدوران
لحساب الفائدة الميكانيكية كل ما عليك فعله هو إيجاد حجم بكرة الإدخال : بكرة الإخراج

سؤال : احسب مقدار ال output speed ؟

في الصورة نرى نظان مغلق من بكرتين الكبرى قطرها 150mm و الصغرى المربوطة بالشفرات 15mm
السرعة البدائية 300 rpm (لفة بالدقيقة)

فالمهم: V1 * r1 = V2 * r2
أي 300 * 150 = 15 * V2 => ما ينتج لنا أن السرعة النهائية للشفرات تساوي 3000 لفة بالدقيقة ما يسراعد على قطع العشب
و لكن و سنستخدمها في التروس, صحيح أنني قد زدت السرعة و لكنني يجب أن لا أنسى إنني قمت بتقليل العزم (القوة في الدوران) بأقل من 10 مرات فلأننا نقطع عشب فليس القوة مهمة جدا أما في حالات أخرى قد نفضل العزم على السرعة

نستنتج أن:

- إذا وصلنا المحرك مباشرة، فستدور الشفرة **أبطأ بكثير**، لكنها ستكون **أقوى من حيث العزم**.
- إذا استخدمنا البكرات، فستدور **أسرع**، لكنها ستكون **أضعف من حيث العزم**.
- النظام المستخدم في الصورة يعتمد على السرعة العالية للحصول على قدرة قطع جيدة رغم انخفاض العزم، وهو ما يناسب جزازات العشب.

إذن، الاختيار بين السرعة العالية والعزم العالي يعتمد على التطبيق المطلوب!

- النظام المفتوح: صحيح أننا قلنا أنه الشكل الأكثر شيوعا عند ذكر بكرة و لكنه ليس الأهم في المشاريع بشكل عام
ففي نقطة المشاريع و أي الشكلين شائع أكثر في العمل فهو النوع الأول (النظام المغلق)
​

نظام البكرة الواحدة المثبتة​	قمنا بتغيير اتجاه القوة و لم نغير مقدارها​	​
نظام البكرة الواحدة الغير مثبتة (العدائة أو runner)​	لم تغيير إتجاه القوة و لكن قمنا بتوزيع وزن الحمل لنصفين و بالطبع زدنا المسافة التي نحتاج لقطعها​	​
نظام البكرتين الثابتة و المتحركة (gun tackle)​	قمنا بتغيير الإتجاه و توزيع الحمل لنصفين مع زيادة المسافة​	​

ملاحظة مهمة: تذكر أننا صحيح قمنا بتوزيع وزن الحمل ما يسهل علينا رفعه و لكن لا تنسى أننا قمنا بإطالة المسار الذي سيتحرك به
و تذكر أيضا بالطبع يمكن زيادة الفائدة الميكانيكية و تقليل القوة التي نحتاجها لرفع الجسم من خلال إضافة عدد أكبر من البكرات

لحساب الفائدة الميكانيكية من خلال الرسمة كل ما عليك فعله و هو عد الحبال في النظام من دون الحبل النهائي الذي يتم سحبه (الحبال بين البكرات)
ففي الصورة بالأعلى القائدة الميكانيكية 3 : 1 لوجود 3 حبال متوازية بين البكرات

صورة أخرى لتوضيح

​

الألة الثالثة: العجلة و المحور (Weel and Axle)​

مقتبس من كتاب Making Things Move بعد التعريب:
"يمكنك استخدام عجلة ومحور لتكبير القوة، كما في مثال عجلة القيادة، أو لتكبير السرعة، كما في عجلات الدراجة. يتم تثبيت الترس الخلفي للدراجة على المحور الخلفي، لذلك عندما تدوس على الدواسة، تدير السلسلة الترس الخلفي الذي يدير العجلة الخلفية. هذا هو الإعداد المعاكس لما هو عليه الحال في عجلة القيادة. في عجلة القيادة، تقوم بتدوير شيء كبير (عجلة القيادة) لتسهيل تدوير شيء صغير (محور عجلة القيادة). في الدراجة، تقوم بتدوير شيء صغير (ترس خلفي) لتدوير شيء كبير (عجلة خلفية)"

كمثال أخر

هذه الألة تعتمد على محور دوران و عجلة
فكلما كانت العجلة أكبر زادة القوة المؤثرة على محور الدوران (لكي نتمكن من رفع الدلو)

أما في حالة كانت العجلة أصغر من محور الدوران ربما لن نتمكن من رفع الدلو لأنها ستعمل على تقليل قوتنا
و لكن على فرضا أننا جلبنا شخص قوي و أثر بقوة نهائبة على محور الدوران (الدلو) بمقدار F
و شخص ضعيف و لديه عجلة أكبر و أثر بنفس القوة النهائية على الدلو

فسيكون الشخص الأكثر قوة سرعته بالرفع أكبر بكثير من الشخص الضعيف
فقانون بكل الألات البسيطة بأن القوة و السرعة أو القوة و الإزاحة أو العزم و السرعة كلها يمكن التحكم بها و لكنه يعتمد على الهدف من الألة الميكانيكية
​

الألة الرابعة: المستوى المائل (Inclined plan)​

هو ألة تعتمد على تقليل القوة على حساب المسافة فيقلل القوة الللازمة لرفع جسم من خلال زيادة المسافة التي نحتاجها تحركيه

الفائدة الميكانيكية تساوي (طول المستوى المائل : ارتفاع المستوى المائل عن الأرض)

و يوجد المستوى المائل أيضا في كل من السكاكين و الفؤوس

​

الألة الخامسة: البرغي (Screw)​

البرغي ألة بسيطة يمكن موجود لإستخدامين رئيسيين أو لحالتين رئيسيتين و هما :
1. براغي التثبيت و هي البراغي الشائعة لتثبيت مادتين معا مثلا لوحة أو رف على الحائط

2. براغي الطاقة (screw power) و هي نوع أكبر من البراغي تستخدم لرفع و دفع الأشياء .. على سبيل المثال​

​

​

​

متى تستخدم البراغي بشكل أساسي ؟
تعمل البراغي على تحقيق مزايا ميكانيكية عالية جدًا في مساحة صغيرة، لذا فهي رائعة لأعمال الرفع عندما لا يكون تركيب نظام البكرات عمليًا
فبدلا من تركيب نظام بكرات كبير نسبيا يمكننا وضع ألة ميكانيكية تعتمد على البراغي و إنتهى.
​

الألة السادسة: التروس(Gears)​

التروس و ما أدراك ما التروس فبسم الله
موضوع التروس كبير جدا و لكنني لكي لا يطول المقال سأحرص أن لا أتعمق بأنواعها كثيرا حاليا و سأجعلها لمقالات لاحقة إن شاء الله
تستخدم التروس ل 3 أستخدامات رئيسية و هي:​

• مضاعفة أو تقليل القوة​
• تغيير الإتجاه​
• زيادة و تقليل السرعة​

يوجد مصطلح يسمى بال drive train هو يكون لترسين أو أكثر بين الدخل و الخرج و إذا كانت مغلقة يطلق عليها Gearhead أو Gearbox و هو الإسم الأشهر

فيوجد للتروس 5 أنواع رئيسية تختلف في خصائصها و إستخدماتها​

النوع الأول : spur gear​	هو النوع الأكثر شهرة و يستخدم لنقل الحركة إن كان الدخل أكبر من الخرج فنحن نقلل السرعة و نزيد العزم أما إن كان الدخل أصغر من العزم فنحن نقوم بزيادة العزم و تقليل السرعة ​	​
النوع الثاني : rack-and-pinion​	نوع من التروس يكون على شكل خط بيتخدم بشكل أساسي - أنظمة التوجيه - تحويل الحركة من دورانية إلى خطية يسخدم بشكل عام في الأنظمة التي تتطلب الحركة ذهابا و إيابا لأنه لديه نهاية فيجب ان يعكس اتجاه حركة ​	​
النوع الثالث : bevel ​	تعمل على تغيير زاوية الدوران و النوع في الصورة التالي هو حالة خاصة و يسمى miter gear و يعمل على التغيير يزاوية 90 درجة ​	​
النوع الرابع : worm ​	سنفصل به أكثر أسفل بنهاية الجدول​	​
النوع الخامس : planetary​	يستخدم هذا النوع من التروس في الأماكن التي تتطلب ميزة ميكانيكية كبيرة و لكن الحجم المخصص للتروس محدود نسبيا فهو يعطي ميزة ميكانيكية كبيرة و يأخذ مساحة صغيرة داخل الألة​	​

ال worm gear
يعمل على تغيير إتجاه الحركة و يستخدم بشكل أساسي بالمصاعد و الرافعات لأنه يقلل من السرعة و لكنه بنفس الوقت يزيد مقدار العزم
و خاصية مهمة جدا في هذا النوع من التروس أنه لا يمكنها الرجوع للخلف أو ما تسمى خاصية القفل الذاتي (Self-Locking) فعند إنقطاع الكهرباء عن المصعد مثلا لن يسقط المصعد

و الميزة الميكانيكية به كبيرة و تساوي ( عدد خيوط ال worm : عدد اسنان الترس المجاور )
فعندما يتحرك ال worm مثلا 24 دور يتحرك الترس المجاور دورة واحدة (في حالة كان ال worm خيط واحد و كان الترس من 24 سن)

و لكنه لا يصلح للعربات التي تقوم بنزول تل او منحدر بسرعة كبيرة لأن قوة الإحتكاك به ستمنع تلك الحركة السريعة فسيستمر السائق للأمام بفعل قوة الجاذبية بينما تبقى العربة تنزل ببطئ أكبر من التل هذا إن تحركت و لم تبقى ثابتة مكانها​

فيديو توضيحي من صديق عن هذا النوع من التروس

​

---

إلى هنا أتمنى أنني قد أعطيتك ألية تفكير أخرى و فتحت أو ساهمت في فتح أنظارك لأمور أخرى في عالم الميكانيك و الألات البسيطة و أهميتها في توفير الوقت و الجهد و تسهيل أعمالنا و زيادة الكفاءة
ففهم الألات البسيطة مهم و مفيد لأي شخص يريد فهم كيف تعمل الأشياء من حولنا

و أتمنى ان تذكر لي بعض الألات التي تراها في حياتك اليومية مع شرح بسيطة لأي نوع من الألات الستة هي

إن أصبت فهو من الله و إن اخطأت فهو من نفسي و الشيطان
و السلام عليكم و رحمة الله و بركاته​

 

[STORMSTORM is verified member.]

بسم الله ما شاء الله لا قوة الا بالله
بارك الله فيك على هذا الطرح بش مهندس
وجزاك الله كل خير
تحياتي