العجلات والمحاور| مزاياها وتطبيقاتها

العجلات والمحاور

في هذا المقال سنتحدث عن العجلات والمحاور وخصائصها. سنقدم أولاً بإيجاز آلات بسيطة ثم نتحدث عن التشغيل بالدولار وأمثلة في الحياة اليومية. نتحدث أيضًا عن الاختلافات بين العجلات والبكرات واكتشافات العجلات.

ما هي الآلة البسيطة؟

توفر الآلات البسيطة ميزة ميكانيكية تجعل المهمة أسهل. العمل في الفيزياء هو عندما يتم تطبيق قوة على الجسم وتتسبب في تحركه. تستخدم الآلات البسيطة ميزة ميكانيكية أو رافعة لسهولة التشغيل. هذا يعني غالبًا أن الآلات البسيطة تستخدم طاقة أقل لمسافات أطول للقيام بنفس القدر من العمل.

على سبيل المثال، يتطلب رفع كرة البولينج 30 سم في الهواء قدرًا معينًا من العمل. مقدار الشغل المطلوب لرفع كرة البولينج هذه يماثل رفعها على منحدر إلى نفس الارتفاع (بافتراض القليل من الاحتكاك). ومع ذلك، فإن رفع شيء يتطلب قوة أكبر من سحبها على منحدر. كلما كان المنحدر أكثر انحدارًا، زادت المسافة التي تصل إلى ارتفاع 30 سم. تتناقص القوة المطلوبة لرفع الجسم إلى أعلى المنحدر مع انخفاض الميل، حتى لو تم تطبيق القوة على مدى فترة أطول. تُقاس فعالية الآلات البسيطة بميزتها الميكانيكية المثالية، أو IMA، في نظام عديم الاحتكاك.

الآلات البسيطة
الشكل 1: أنواع الآلات البسيطة

على مر التاريخ، طور البشر عدة أجهزة لسهولة التشغيل، ومن أبرزها الآلات الست البسيطة. تشمل هذه الآلات البسيطة:

  1. العجلات والمحاور
  2. رافعة
  3. لوحة مائلة
  4. بكرة
  5. برغي
  6. وتد

ومع ذلك، فإن الثلاثة الأخيرة هي بطريقة ما مجرد مزيج من الأجهزة الثلاثة الأولى. في هذه المقالة سوف نتحدث عن آلة بسيطة للدفع بالعجلات.

العجلات والمحاور

العجلة والمحاور هي نوع بسيط من الماكينات التي تستخدم لسهولة العمل عن طريق تغيير مقدار القوة واستخدام مفهوم الميزة الميكانيكية. يتكون محور العجلة من قرص دائري يُعرف بالعجلة، ويوجد شريط في المركز يستخدم كمحور لهذه الآلة البسيطة. يستخدم هذا النظام الحركة الزاوية وعزم الدوران للعمل على الأجسام، عادة ضد الجاذبية. ترتبط آلة محور العجلة البسيطة أيضًا ارتباطًا وثيقًا بالتروس.

مثل الآلات البسيطة الأخرى، يغير نظام الدفع بالعجلات مقدار القوة عن طريق تغيير المسافة التي يجب تطبيق القوة عندها. إذا تم تقليل قوة الإدخال إلى 15 قوة خرج، فيجب تطبيق القوة على فترات تزيد عن خمسة أضعاف المسافة الأولية. دائمًا ما يكون العمل المنجز في هذه الآلات مساويًا لمنتج القوة في المسافة، ويجب أن تكون هذه القيمة ثابتة دائمًا بسبب الحفاظ على الطاقة.

العجلات والمحاور
الشكل 2: أجزاء مختلفة من آلة العجلة والمحور

يدور كلا محوري العجلة بنفس السرعة. هذا يعني أن كلاً من العمود والعجلة يؤديان دورانًا كاملاً في نفس القدر من الوقت (على عكس كيفية عمل التروس). نظرًا للاختلاف في حجم نصف قطر محور العجلة، تختلف المسافة التي يقطعها جزأا العجلة والمحور في نفس الوقت، ويرجع ذلك إلى الاختلاف في دعم محور العجلة. بهذه الطريقة، يتم توفير الشروط اللازمة للميزة الميكانيكية للعجلة والمحور.

تُستخدم الآلات البسيطة مثل محاور العجلات للمساعدة في تحريك الأشياء أو رفع الأشياء والأشخاص. في آلة بسيطة ذات محور العجلة، هناك جزأان رئيسيان، وهما:

  • العجلة: قرص دائري أو أكبر، مستدير من الخارج
  • المحور: أسطوانة مستديرة أو قضيب دائري أصغر من الداخل

يتحرك العمود في وسط العجلة ويمكن ربطه بجسم آخر. يعد الاستخدام المدفوع بالعجلات ظاهرة سبب ونتائج كبيرة.

الميزة الميكانيكية

الميزة الميكانيكية هي مصطلح يستخدم لتقييم الأداء الجيد أو الضعيف لمحور العجلة أو أي آلة بسيطة أخرى. يصف الميزة الميكانيكية الفعلية التي تساوي نسبة قوة الإخراج أو القوة المطبقة بواسطة الجهاز إلى قوة الإدخال أو القوة المطبقة على العجلة أو المحور، ويعالج بشكل أساسي مدى جودة عمل الجهاز مقارنة بالعمل الشخصي الذي يمارسه على الجهاز..

في الصورة أدناه، يمكنك أن ترى محور العجلة الذي تساوي ميزته الميكانيكية المثالية:

    \[ \large IMA=\frac{R}{r} \]

حيث R هو نصف قطر العجلة ويظهر أيضًا في الشكل أعلاه. يتطلب النظام المدار بعجلات قوة لرفع الحمل، ولكن هذه القوة يمكن أن تكون أقل من قوة وزن الجسم. في هذه الحالة، على الرغم من أن القوة المطلوبة للعمل من قبل الشخص قد لا تكون كبيرة مقارنة بالقوة التي تمارس على الجسم، فإن المسافة المطلوبة لتدوير العجلة أكبر بكثير من المسافة التي يدور من خلالها المحور.

من الناحية المثالية، لا توجد خسائر أثناء نقل الطاقة، ولكن في الواقع لا يوجد شيء مثل نظام 100 كفاءة. تُهدر الطاقة بسبب العمالة المهدرة مثل الاحتكاك، لكن الأنظمة التي تُدار بالعجلات غالبًا ما تكون فعالة للغاية.

كيف تعمل العجلة والمحور؟

تتسبب بعض القوى في تحريك العجلة أو المحور. تؤدي هذه الحركة إلى تحريك الجزء الآخر من الجهاز. تدور العجلة حول محور أو دعامة وبالتالي يمكنها الاستمرار في الحركة. لتقليل الاحتكاك بين المحور والعجلة، يمكنك إضافة شحم على المحور.

عندما يحتك جسمان ببعضهما البعض، مثل سحب عصا ثقيلة على الأرض، فإن هذا يسبب الاحتكاك ويجعل من الصعب تحريكه. تقلل العجلات من هذا الاحتكاك أو تقضي عليه، كما هو الحال عند وضع الخشب الثقيل في عربة. عندما يتم تقليل الاحتكاك، هناك حاجة إلى طاقة أقل لتحريك الحمل.

أمثلة على استخدام العجلات والمحاور في الحياة اليومية

في الحياة اليومية، يمكنك أن ترى أمثلة على الأجهزة البسيطة التي تُدار بعجلات. يمكن أن يساعدك فحص الأمثلة اليومية لهذا الجهاز على فهم هذا الجهاز البسيط. العجلة والمحور عبارة عن جهاز ميكانيكي أساسي يحتوي على عدة أجزاء متحركة لتغيير الحركة والقوة. في الواقع، كما قلنا، فإن جهاز العجلة والمحور هو نوع من الرافعة.

يتضمن استخدام محاور العجلات رفع الأشياء الثقيلة، وتحريك الأشخاص بسرعة، وتحريك أجزاء من آلة معقدة. هناك نوعان رئيسيان من الآلات البسيطة ذات العجلات والمحورية.

  • آلة يتم فيها تطبيق القوة على العمود.
  • آلة يتم فيها تطبيق القوة على العجلة.

أمثلة على القوة المطبقة على المحور

يؤدي تطبيق الكثير من القوة على المحور إلى تحرك العجلة بشكل أسرع. الأمثلة اليومية لهذا النوع من محور العجلة هي:

  1. دراجة هوائية
  2. إطارات السيارات
  3. دائري
  4. مروحة كهربائية
  5. ساعة عقارب
  6. ونش
  7. استخدم القوة على المحور

أمثلة على القوة المطبقة على العجلة

عندما تطبق القليل من القوة على العجلة، فإنها تسافر لمسافات أطول وتخلق قوة أقوى على المحور. الأمثلة اليومية لهذا النوع من محور العجلة هي:

  1. مفك براغي
  2. تدريبات
  3. طواحين الهواء
  4. العجلة الزرقاء
  5. مقابض على
  6. آلة تقطيع البيتزا
  7. لوح تزلج

على عكس الأمثلة التي يتم فيها تطبيق القوة على المحور، فإن هذه الأمثلة تظهر عندما تبدأ الحركة من العجلة.

أول آلة ذات عجلات

يعتقد الخبراء أن الأمثلة الأولى للعجلات تعود إلى 3500 قبل الميلاد. في بلاد ما بين النهرين، تم استخدام الآلات ذات العجلات والمحاور لأول مرة لنوع من عجلة الفخار. في حين أن الإصدارات الأولى من عجلة الفخار لم تكن نماذج ممتازة مدفوعة بالعجلات، فقد وصل الخزافون الأوائل إلى نقطة تطوير عجلات فخار لأغراضهم الخاصة.

من كان مخترع العجلات والمحاور؟

في أمريكا الشمالية، يُعرف يوم 14 فبراير باسم عيد الحب. هذا اليوم هو أيضًا احتفال بيوم Carousel لأنه عيد ميلاد مخترعه. قام جورج فيريس (George Ferris Jr) ببناء جسم لمعرض كولومبيا عام 1893 في شيكاغو وأطلق عليه اسم كاروسيل. كان الهيكل بارتفاع 76 متراً ومجهز بـ 36 سيارة، كل منها قادرة على حمل 40 شخصاً، تم بناؤها لتنافس برج إيفل. لقد كانت معجزة هندسية.

اليوم، الدوارات والعجلات شائعة بشكل عام، ومحور العجلة هو واحد من ست آلات هندسية كلاسيكية بسيطة. ومع ذلك، كانت العجلة الرئيسية ظاهرة مذهلة تم اختراعها بعد التقدم في علم المعادن وصهر البرونز وظهرت جيدًا بعد تدجين الحيوانات وخلق الزراعة. على عكس الآلات البسيطة الأخرى، لم تكن هناك عجلات في الطبيعة ليقلدها البشر الأوائل، وفكرة العجلة كتقنية أولية مستوحاة من الطبيعة غير صحيحة. هذه الآلات هي اختراع بشري لم يظهر إلا منذ حوالي 5000 عام. لقد تطور تطبيقهم، الذي أصبح واضحًا لنا الآن، ببطء، ولا تزال التطبيقات الجديدة تتطور.

مخترع العجلات والمحاور
جورج فيريس جونيور، مخترع الكاروسيل

في الإنتاج، أشرفت الثورة الصناعية على الإنشاء والاستخدام المنتظم للعجلات الصناعية على المسارات المعدنية. يقل عمر الإنتاج القياسي والواسع النطاق واستخدام عجلات الحديد الزهر والفولاذ عن 200 عام. على الرغم من أن هذا أمر شائع، إلا أن العجلة لا تزال تتكيف وتتحسن.

الفرق بين البكرة والعجلة

الآلات البسيطة هي كائنات أساسية أو مجموعة من الأشياء القادرة على نقل القوة من مكان إلى آخر، أو تغيير اتجاه القوة، أو تغيير حجم أو سرعة القوة. العجلات والمحاور والبكرات عبارة عن آلات بسيطة متشابهة في المظهر ولكنها تقدم وظائف مختلفة جدًا.

العجلة

ببساطة، العجلة هي جسم دائري يمكن أن يدور حول محور يمر عبر مركزها. عادة، يتم توصيل عمود يسمى العمود بالعجلة عند النقطة التي يضرب فيها العمود العجلة، ويمكن للعجلة إما أن تدور بحرية حول العمود بينما يظل العمود ثابتًا، أو قد يدور العمود مع الدوران. إذا كان بإمكان العجلة أن تدور بحرية على المحور، فهي ليست عجلة بسيطة وآلة محور لأن القوة لا يمكن نقلها ذهابًا وإيابًا بين العجلة والمحور.

العجلات والمحاور

إذا كان العمود متصلًا بإحكام بالعجلة، فإن العمود يدور أيضًا عندما تدور العجلة، وتصبح هذه المجموعة آلة بسيطة تغير قوة الدوران المطبقة على كل جزء من جزأين من الماكينة. إذا تم تطبيق قوة على العجلة، تزداد هذه القوة مع انخفاض سرعة الدوران. وإذا تم تطبيق القوة على العمود بدلاً من ذلك، تقل القوة ولكن تزداد سرعة الدوران.

بكرة

البكرة عبارة عن عجلة يتم تثبيتها في إطار ولكنها تسمح للعجلة بالدوران بحرية. يكون الجزء الخارجي من البكرة محززًا، ويؤدي لف الحبل حول البكرة إلى دوران البكرة أثناء سحب الحبل. يمكن للبكرة الثابتة أن تغير اتجاه القوة المطبقة عليها، ويمكن أن تتحرك البكرة المعلقة مع الحمل المرتبط بها، مما يوفر ميزة ميكانيكية في تحريك الحمل. في الواقع، غالبًا ما تُستخدم الأنظمة التي تتكون من بكرات متعددة لتغيير اتجاه القوى وخلق ميزة ميكانيكية.

الفرق بين محور العجلة والبكرة

أحيانًا يتم الخلط بين الآلات التي تعمل بالدفع والبكرات. هذا صحيح بالنسبة لمحركات السيارات، حيث غالبًا ما يشار إلى العجلات التي يقودها الحزام على أنها بكرات. هذه العجلات في الواقع متصلة بإحكام بالمحاور وتستخدم لنقل الطاقة أو لتغيير السرعة والقوة في الدوران. هذه الميزات تجعل من هذه الأجزاء آلات العجلات والمحاور، وليس أنظمة البكرات.

هناك اختلاف آخر بين محور العجلة والبكرة وهو أن هيكل عجلة البكرة والمحور يمكن أن يكونا متشابهين أو حتى متطابقين. لكن في تصنيف الآلات البسيطة، تختلف أغراضها:

  • تُستخدم البكرة لتغيير اتجاه الحبل أو السلسلة، وفي الواقع تحدث القوة ودوران بكرة البكرة لهذا السبب.
  • يستخدم محور العجلة لتضخيم قوة الدوران. في هذه الآلة، يمكن توفير الطاقة من خلال حبل ملفوف حول العجلة، ويحدث تغيير في اتجاه الحبل لهذا السبب.

على سبيل المثال، حزام الدراجة هو مثال على عجلة ومحور، بينما الترس هو مثال على بكرة.

أسئلة آلة العجلة والمحور

سؤال: ما هو الغرض من استخدام العجلات والمحاور؟
الإجابة: الغرض من استخدام هذه الآلة هو تقليل الاحتكاك وخلق ميزة ميكانيكية.

سوال : اربط العبارات التالية بمصطلحاتها الفيزيائية في الجدول.

  1. ______ المسافة حول الدائرة.
  2. ______ استخدم القوة لتحريك جسم على مسافة معينة.
  3. ______ عمود يتم تثبيته في وسط عجلة أو في وسط عجلة ويسمح للعجلة بالدوران بحرية.
  4. ______ المسافة من مركز الدائرة إلى الحافة الخارجية.
  5. ______ شيء أو وزن يتم تحريكه أو رفعه.
  6. ______ الضغط أو التوتر.
  7. ______ رقم ثابت ولانهائي يمثل نسبة محيط الدائرة إلى قطرها.
  8. ______ المقاومة التي يواجهها سطح أو جسم أثناء الاتصال والتحرك على سطح آخر.
  9. ______ كائن دائري يدور حول محوره أو حوله.
  10. ______ جهاز ينقل أو يعدل القوة أو الحركة.
  11. ______ القوة المطبقة على الآلة للقيام بالمهمة.
  12. ______ كمية تشير إلى مضاعفة قوة الآلة.

الإجابة:

  1. سيارة بسيطة
  2. العجله
  3. محور
  4. احتكاك
  5. ميزة ميكانيكية
  6. نصف القطر
  7. قطر الدائرة
  8. بيئة
  9. قوة
  10. عمل
  11. قوة التحفيز أو المدخلات
  12. شريط

السؤال وإجابة: مصطلح وتعريفة

  1. محيط: المسافة حول الدائرة.
  2. العمل: استخدام القوة لتحريك جسم على مسافة معينة.
  3. المحور: عمود يتم تثبيته في وسط عجلة أو في وسط عجلة ويسمح للعجلة بالدوران بحرية.
  4. نصف القطر: المسافة من مركز الدائرة إلى الحافة الخارجية.
  5. الحمل: جسم أو وزن يتم تحريكه أو رفعه.
  6. القوة: الضغط أو التوتر.
  7. رقم Pi: رقم ثابت ولانهائي يمثل نسبة محيط الدائرة إلى قطرها.
  8. الاحتكاك: المقاومة التي يواجهها سطح أو جسم ما أثناء ملامسته للآخر والتحرك عليه.
  9. العجلة: كائن دائري يدور حول محوره أو حوله.
  10. آلة بسيطة: جهاز ينقل أو يعدل القوة أو الحركة.
  11. قوة التحفيز أو الإدخال: القوة المطبقة على الجهاز لأداء العمل.
  12. الميزة الميكانيكية: كمية تشير إلى مضاعفة قوة الآلة.

سوال : السيارة التي تبلغ سرعتها من 5 إلى 10000 جول من العمل تحتاج إلى رفع حمولة 500 نيوتن بمقدار 1.5 متر. اكتشف الكفاءة والمزايا الميكانيكية لهذا الجهاز.
الإجابة: كفاءة الآلة تساوي نسبة المخرجات إلى المدخلات. من ناحية أخرى، فإن الشغل الناتج يساوي القوة في الإزاحة ولدينا:

    \[ \large \text{Efficiency}=\frac{work\ output}{work\ input}\times 100=\frac{work\ \times \ distance}{work\ output}\times 100 \]

وبذلك يتم حساب كفاءة هذه الآلة على النحو التالي:

    \[ \large \text{Efficiency}=\frac{500 \times 1.5}{1000}\times 100=75\ \]

من ناحية أخرى، فإن كفاءة السيارة تساوي نسبة الميزة الميكانيكية إلى السرعة وسيكون لدينا:

    \[ \large \text{Efficiency}=\frac{MA}{VR}\Rightarrow 75\%=\frac{MA}{5}\Rightarrow MA=3.75 \]

ترتيب الميزة الميكانيكية للآلة يساوي 75.3.

سوال : تستخدم عجلة لرفع رجل يزن 700 نيوتن باستخدام قوة دافعة 200 نيوتن. إذا كانت العجلة ونصف قطر المحور 400 مم و 100 مم، على التوالي، فحدد أداء الجهاز.
الإجابة: سرعة العجلة وآلة المحور تساوي نصف قطر العجلة للمحور ولدينا:

    \[ \large V.R=\frac{a}{b}=\frac{400}{100}=4 \]

من ناحية أخرى، فإن الميزة الميكانيكية تساوي نسبة الحمل إلى القوة الدافعة ولدينا:

    \[ \large M.A=\frac{load}{effort}=\frac{700}{200}=3.5 \]

نتيجة لذلك، نظرًا لأن كفاءة الجهاز تساوي نسبة الميزة الميكانيكية إلى معدل السرعة مضروبًا في 100، فإن الكفاءة تساوي:

    \[ \large \text{Efficiency}=\frac{MA}{VR}\times 100=\frac{3.5 \times 100}{4}=\frac{350}{4}=87.5\% \]

استنتاج

في هذا المقال، تحدثنا عن واحدة من الآلات الست البسيطة، محور العجلة. لهذا الغرض، قدمنا ​​أولاً باختصار الآلة البسيطة ثم فحصنا تفاصيل هذه الآلة ومخترعها وأمثلة عملية في الحياة اليومية. شرحنا أيضًا الفرق بين العجلة والبكرة، وأخيرًا قدمنا ​​أمثلة على نظام محور العجلة.

منشور ذات صلة
كتب في الديناميكا الحرارية 10 Minutes

أفضل كتب في الديناميكا الحرارية عام 2021

عاطفة عكرش

تتمثل إحدى المشكلات الشائعة للطلاب في المجالات المختلفة في العثور على موارد مناسبة لدراسة و تعلم الدورات الأساسية و المتخصصة. يعد العثور على مورد عالي الجودة هو الخطوة الأولى في بدء التعلم.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

السلة