گام به گام علوم تجربی نهم | فصل 9: ماشین ها

شکل ۲ تصویر تعدادی از ماشین هایی را که روزانه با آنها سروکار داریم نشان می دهد. در مورد ورودی و خروجی این ماشین ها در زندگی و تبدیل انرژی در آنها گفت و گو کنید.

پارو، نیروی عضلانی دست های قایقران را به حرکت قایق تبدیل می کند.

انرژی شیمیایی سوخت (گازوئیل یا گاز) توسط موتور به حرکت اتوبوس منجر می شود.

انرژی الکتریکی به حرکت دورانی ماشین لباسشویی تبدیل می شود و شستشوی لباس و آبگیری آن را انجام می دهد.

نیروی ماهیچه ای دست خیاط به حرکت سوزن چرخ خیاطی و دوخت لباس منجر می شود.

وسایل و مواد لازم: حلقه، تعدادی وزنه کوچک شکاف دار، خط کش، وزنه گیر
روش اجرا:
۱- خط کش را درون حلقه قرار دهید و وزنه گیر را آویزان کنید.
۲- انتهای خط کش را با دست خود بگیرید و به صورت افقی نگه دارید.
۳- در وزنه گیر، وزنه قرار دهید و به تدریج وزنه ها را زیاد کنید.
۴- اکنون وزنه ها را ثابت نگه دارید و فاصله حلقه فلزی تا دستتان را کم و زیاد کنید. از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید؟

وقتی وزنه ها را زیاد می کنید، نیروی وزنه ها بیشتر می شود و خط کش میل به چرخش حول دست پیدا می کند و برای جلوگیری از چرخش آن باید دست مقابلۀ بیشتری کند. بنابراین گشتاور نیرو با اندازه نیرو رابطۀ مستقیم دارد.

وقتی فاصلۀ وزنه ها تا دست بیشتر می شود، میل به چرخش خط کش بیشتر می شود و برای جلوگیری از چرخش آن باید دست مقابلۀ بیشتری کند. بنابراین گشتاور نیرو با فاصلۀ نیرو تا محور چرخش رابطۀ مستقیم دارد.

توضیح دهید چرا با آچار بلندتر، مهره محکم را می توان آسان تر باز کرد؟

هر چه دستۀ آچار بلندتر می شود، فاصلۀ نیرو تا محور چرخش افزایش می یابد و بنابراین گشتاور نیرو زیادتر می شود و مهره آسان تر باز می شود.

نشان دهید در اهرم ها و در شرایط تعادل، مزیت مکانیکی از رابطه زیر نیز به دست می آید.

$مزیت  مکانیکی=\frac{بازوی  محرک}{بازوی  مقاوم}$

در اهرم ها در شرایط تعادل اندازه گشتاور نیروی محرک و گشتاور نیروی مقاوم با هم برابرند.

اهرم ها در بسیاری از ماشین های معمولی، دیده می شوند. اهرم ها را می توان برحسب محل قرار گرفتن تکیه گاه، نیروی محرک و نیروی مقاوم بررسی کرد. در هر یک از شکل های زیر تکیه گاه، محل وارد کردن نیروی محرک و نیروی مقاوم را نشان دهید. از وزن اهرم ها صرف نظر می شود.

الف)

ب) 

پ) 

الف) اهرم نوع سوم : نیروی محرک بین تکیه گاه و نیروی مقاوم قرار دارد. مانند انبر، قندگیر، چوب ماهیگیری و ... .

ب) اهرم نوع دوم : نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک قرار دارد. مانند فندق شکن فرغون، دربازکن و ... .

پ) اهرم نوع اول : تکیه گاه بین نیروی مقاوم و نیروی محرک قرار دارد. مانند انبردست ، آچار فرانسه ، قیچی و ... .

به کمک یک قرقره ثابت، یک قرقره متحرک، یک وزنه معین و یک نیروسنج درباره مزیت مکانیکی قرقره های ثابت و متحرک شکل ۱۲ تحقیق کنید.

فرض کنید وزنه برابر 20 کیلوگرم باشد. یعنی نیروی مقاوم برابر 200 نیوتن باشد.

در قرقره ثابت نیروی محرکی که نیروسنج در محل دست نشان می دهد برابر 200 نیوتن است.

در قرقره متحرک نیروی محرکی که نیروسنج در محل دست نشان می دهد برابر 100 نیوتن است.

با توجه به تعریف مزیت مکانیکی، جدول زیر را درباره مزیت مکانیکی ماشین های شکل ۱۴ ، کامل کنید.

مزیت مکانیکی شکل (الف) $\frac{50N}{50N}=1$

مزیت مکانیکی شکل (ب) $\frac{100N}{50N}=2$

مزیت مکانیکی شکل (پ) $\frac{150N}{50N}=3$

درباره نقش قرقره ها در زندگی اطلاعاتی را به همراه تصویر، جمع آوری کنید و آن را در کلاس گزارش دهید.

از زمان های قدیم برای آب کشی از چاه از قرقره استفاده می کرده اند. این عمل باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.

برای بالا بردن پرچم در مراسم صبحگاهی پادگان ها و مدارس از قرقره استفاده می شود. قرقره در این حالت با تغییر جهت نیرو کمک می کند.

درباره انواع چرخ دنده ها و کارکرد آنها اطلاعاتی را به همراه تصویر جمع آوری کنید و آن را به کلاس گزارش دهید.

چرخ دنده های ساده

• این چرخ دنده ها ساده ترین چرخ دنده هایی هستند که دیده اید. آن ها دندانه های مستقیم دارند و محور دو چرخ نیز موازی با یکدیگر قرار گرفته است.

• گاهی تعداد زیادی از آن ها را در کنار هم قرار می دهند تا سرعت را کاهش و قدرت را افزایش دهند.

• برای انتقال حرکت از یک میل محور به میل محور موازی با آن به کار می روند. در تعداد زیادی از وسایل از این چرخ دنده ها استفاده می شود. مثلاً ساعت های کوکی، ساعت های اتوماتیک، ماشین لباسشویی، پنکه و ... ، اما در اتومبیل به کار نمی آیند؛ چون سر و صدای زیادی دارند.

چرخ دنده های مارپیچی

• دندانه این چرخ دنده ها اریب است. وقتی یکی از آن ها می چرخد، ابتدا نوک دندانه ها با هم تماس پیدا می کنند، سپس به تدریج دو دندانه کاملاً در هم جفت می شوند.

• این درگیری تدریجی، عاملی برای کم کردن سر و صدا و همچنین نرم تر شدن حرکت چرخ دنده ها است.

• این چرخ دنده ها را می توان برای همان کاربرد چرخ دنده های ساده به کاربرد ولی مانند آنها پر سروصدا نیستند زیرا درگیری دنده ها به تدریج رخ می دهد.

چرخ دنده های مخروطی

• این چرخ دنده ها بهترین وسیله تغییر جهت هستند. معمولاً از آن ها برای تغییر جهت 90 درجه استفاده می شود، ولی می توان طراحی را طوری انجام داد که در زاویه های دیگر نیز کار کنند.

• دندانه های آن ها ممکن است مستقیم یا پیچ دار باشد. اما اگر دندانه ها صاف باشد، همان مشکل چرخ دنده های ساده را دارند. در دندانه های پیچ دار این مشکل برطرف شده است، ولی درهر دوی آنها باید محور چرخ دنده ها در یک صفحه قرار داشته باشد.

چرخ دنده های حلزونی

• حلزون شبیه یک پیچ است جهت گردش چرخ حلزون به جهت گردش حلزون بستگی دارد و نیز اینکه دنده های حلزون راستگرد، تراشیده شده باشد یا چپگرد.

• مجموعه حلزون و چرخ حلزون ها را ممکن است به گونه ای بسازند که یا دنده های یکی، دیگری را در برگیرد و یا هر دو یکدیگر را در برگیرند.

• این چرخ دنده ها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که بخواهیم تغییر زیادی در سرعت و یا قدرت ایجاد کنیم. معمولاً نسبت شعاع دو چرخ دنده 20:1 است و گاهی حتی به 300:1 و بیشتر نیز می رسد.

چرخ دنده های شانه ای

• این چرخ دنده ها برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می شوند.

• یک مثال خوب برای این چرخ دنده ها، فرمان اتومبیل است. فرمان، چرخ دنده ای را می چرخاند که با چرخ شانه ای در تماس است. وقتی شما فرمان را می چرخانید، با توجه به جهت چرخش فرمان، شانه به سمت چپ و یا راست حرکت می کند و باعث حرکت چرخ ها می شود.

• در برخی از ترازوها نیز برای چرخاندن عقربه از سیستم مشابهی استفاده می شود.

چرا در مناطق کوهستانی، قسمتی از جاده ها را به صورت پیچ های شیبدار می سازند؟

وقتی جاده را به صورت شیبدار می سازند، طول جابجایی نیروی محرک افزایش می یابد و در عوض نیروی محرک کاهش می یابد. بنابراین برای جابجایی نیروی مقاوم روی سطح شیبدار جاده کوهستانی، نیروی محرک کمتری لازم است و در نتیجه مزیت مکانیکی که سطح شیبدار ایجاد می کند از 1 بیشتر می شود. هر چه شیب سطح کمتر باشد، طول جابجایی نیروی محرک بیشتر می شود و نیروی محرک کمتر و در نتیجه مزیت مکانیکی بیشتر خواهد شد.