مثال: در یک ماشین, با وارد کردن نیروی 30 نیوتنی می توان یک وزنه 600 نیوتنی را بلند کرد. مزیت مکانیکی واقعی چقدر است و ماشین از چه راهی به ما کمک می کند.
انواع ماشين ها
1- ماشین های ساده:
گروهی از ماشین ها که پایه و اساس ساخت ماشین های دیگر را تشکیل می دهند, ماشین ساده نامیده می شوند. ماشین های ساده در شش نوع اهرم, قرقره, چرخ محور, سطح شیب دار گوه و پیچ دسته بندی می شوند.
2- ماشین های مرکب یا پیچیده
گاهی دو یا چند ماشین ساده با هم ترکیب می شوند و ماشین جدیدی را به وجود می آورند به چنین ماشین هایی, ماشین های مرکب یا پیچیده می گویند.
این ماشین ها تغییر شکل یافته ی ماشین ساده یا ترکیبی از چند ماشین ساده با یک دیگر هستند.
انواع ماشین های ساده:
1. اهرم :
اهرم میله ای است که می تواند حول یک تکیه گاه دوران کند.
در هر اهرم یک تکیه گاه, یک بازوی محرک و یک بازوی مقاوم وجود دارد.
بازوی محرک (LE): در یک اهرم فاصله ی نقطه اثر نیروی محرک تا تکیه گاه را بازوی محرک می گویند.
بازوی مقاوم(LR): در یک اهرم فاصله ی نقطه اثر نیروی مقاوم تا تکیه گاه را بازوی مقاوم می گویند.
تکیه گاه(F): نقطه ای است که اهرم حول آن دوران می کند.
اهرم بر اساس قرار گرفتن محل تکیه گاه, نیروی محرک و نیروی مقاوم به چند نوع تقسیم می شوند:
الف) اهرم نوع اول
در صورتیکه تکیه گاه بین نقطه اثر نیروی مقاوم و نیروی محرک باشد, اهرم از نوع اول است.
اهرم نوع اول به سه حالت دیده می شود:
a) حالت اول :
زمانیکه تکیه گاه درست در وسط نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار گرفته باشد, در این صورت بازوی محرک و بازوی مقاوم با هم برابرند.
در این حالت, اهرم فقط از راه تغییر جهت نیرو به ما کمک می کند.
نکته: مزیت مکانیکی این اهرم همیشه یک است.
b) حالت دوم :
زمانیکه تکیه گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم ولی نزدیک به نیروی مقاوم باشد, در این حالت, اهرم از راه های زیر به ما کمک می کند.
1)تغییر جهت نیرو: زیرا تکیه گاه بین نیروی محرک و مقاوم قرار دارد.
2) افزایش نیرو: زیرا بازوی محرک بزرگتر از بازوی مقاوم است. (LR>LE)
نکته: مزیت مکانیکی این اهرم همواره از یک بیش تر است.
c) حالت سوم :
زمانیکه تکیه گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم بوده ولی نزدیک به نیروی محرک باشد, در این حالت اهرم از راه های زیر به ما کمک می کند.
1)تغییر جهت نیرو: زیرا تکیه گاه بین نیروی محرک و مقاوم قرار است.
2) افزایش مسافت اثر نیرو: زیرا بازوی مقاوم بزرگتر از بازوی محرک است. (LR >LE)
نکته: مزیت مکانیکی این اهرم همواره از یک کم تر است.
ب) اهرم نوع دوم
در این نوع اهرم نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک قرار دارد.(مانند فندق شکن – فرغون) این نوع اهرم فقط از راه افزایش نیرو به ما کمک می کند. زیرا در این اهرم همواره بازوی محرک بزرگتر از بازوی مقاوم است.
مزیت مکانیکی این اهرم همیشه از یک بیشتر است.
نکته: در این نوع اهرم, هر چه نیروی مقاوم به تکیه گاه نزدیک تر باشد, مزیت مکانیکی بیش تر می شود.
ج) اهرم نوع سوم
در این نوع اهرم نیروی محرک بین تکیه گاه و نیروی مقاوم قرار دارد. مانند (جاروی فراشی) این نوع اهرم, فقط از راه افزایش مسافت اثر نیرو به ما کمک می کند. زیرا بازوی مقاوم بزرگتر از بازوی محرک است.
مزیت مکانیکی این اهرم همیشه کمتر است.
قانون اهرم ها
چنانچه اهرم در حال تعادل باشد, فرمول زیر صادق است:
بازوی مقاوم×نیروی مقاوم=بازوی محرک×نیروی محرک
E.LE=R.LR
نکته: در صورتیکه از اصطکاک صرف نظر کنیم, مزیت مکانیکی اهرم را می توان از رابطه ی زیر نیز به دست آورد.
2. قرقره:
چرخی شیاردار است که حول یک محور می چرخد.
قرقره ثابت:
مزیت مکانیکی این قرقره همواره برابر یک است و از راه تغییر جهت نیرو به ما کمک می کند.
توجه: این قرقره نظیر اهرم نوع اول حالت اول است.
قرقره متحرک:
این قرقره آزادانه بر روی ریسمان (طناب) جا به جا می شود.
این قرقره از راه افزایش نیرو به ما کمک می کند.
مزیت مکانیکی کامل این قرقره برابر 2 است. زیرا بازوی محرک (قطر چرخ) همواره دو برابر بازوی مقاوم (شعاع چرخ) است.
نکته: قرقره متحرک مانند اهرم نوع دوم است, با این تفاوت که مزیت مکانیکی اهرم (با تغییر دادن محل نیروی مقاوم) قابل تغییر است در حالیکه مزیت مکانیکی این قرقره تغییر نمی کند.(A=2)
دستگاه قرقره مرکب:
برای آنکه به مزیت های مکانیکی بالاتری دست یافت می توان دو یا چند قرقره ثابت و متحرک را با هم ترکیب کرد و یک قرقره مرکب به وجود آورد. در این حالت قرقره ها را به شکل های مختلفی با یکدیگر ترکیب می کنیم.
الف) در یک روش, برای بستن تمام قرقره ها فقط از یک رشته نخ استفاده می شود.
در این حالت برای به دست آوردن مزیت مکانیکی کامل دستگاه به دو صورت عمل می کنیم:
1- تعداد نخ های متصل به قرقره متحرک را می شمریم.
2- نیروی کشش نخ (T) را مشخص کرده و مزیت مکانیکی کامل را به دست می آوریم.
ب) قرقره های ارشميدس:
برای اتصال این قرقره ها به یکدیگر از چند رشته نخ استفاده می شود.
برای بدست آوردن مزیت مکانیکی کامل این دستگاه از دو راه استفاده می شود:
الف) نیروی کشش نخ (T) را مشخص می کنیم.
توجه: وجود قرقره ثابت در مزیت مکانیکی کامل دستگاه هیچ تاثیری ندارد ولی چون کشیدن ریسمان به سمت پایین آسانتر از کشیدن به سمت بالاست گاهی برای آسانتر شدن کار از قرقره ثابت استفاده می شود.
2- برای به دست آوردن مزیت مکانیکی اين قرقره ها را می توان از فرمول 
نیز استفاده کرد.
(n= تعداد قرقره متحرک است.)
مثال: در دستگاه بالا از دو قرقره متحرک استفاده شده است پس 
ج) ممکن است قرقره به صورت زیر به یکدیگر وصل شده باشند, در این صورت برای به دست آوردن مزیت مکانیکی کامل.
1) از راه کشش نخ استفاده می کنیم.
2) از فرمول زیر به دست آوریم(A=2n-1)
(n= تعداد قرقره های ثابت و متحرک است.)
مثال: در دستگاه بالا از 3 قرقره استفاده کردیم:
تذکر: قرقره ها را به شکل های گوناگون می توان با هم ترکیب کرد. در هر مورد برای به دست آوردن مزیت مکانیکی کامل می توان از نیروی کشش نخ استفاده کنیم.
3- چرخ محور:
چرخ و محور چرخی است که به مرکز آن یک میله وصل شده است. با چرخاندن چرخ, میله نیز می چرخد.
فرمان اتومبیل-آچار پیچ گوشتی- کلید درب-مداد تراش رومیزی-چرخ چاه-چرخ گوشت دستی نمونه هایی از ماشین چرخ و محور هستند.
F60
نکته1: در چرخ و محور اگر نیروی محرک را به چرخ و نیروی مقاوم را به محور وارد کنند در این حالت چرخ و محور از طریق افزایش نیرو به ما کمک می کند..
زیرا بازوی محرک (شعاع چرخ=rE) از بازوی مقاوم (شعاع محور=rR) بزرگتر خواهد شد و مزیت مکانیکی آن از یک بیش تر خواهد شد.
در چرخ و محور بین شعاع (قطر) چرخ و شعاع (قطر) محور و نیروهایی که به چرخ و محور وارد می شود. رابطه ی زیر برقرار است. (در صورت صرف نظر از اصطکاک)
توجه: چون چرخ و محور به هم چسبیده اند تعداد دورهایی که چرخ و محور در یک مدت می چرخند باید مساوی باشند. اگر چرخ یک دور بچرخد نقطه اثر نیروی محرک به اندازه محیط چرخ (rEا2R) جابه جا می شود ونقطه اثر نیروی مقاوم به اندازه محیط محور (rRתا2) جابه جا خواهد شد.
نکته 2: در چرخ و محور اگر نیروی مقاوم به چرخ و نیروی محرک به محور وارد شود, چرخ و محور از طریق افزایش مسافت اثر نیرو کمک می کند زیرا بازوی مقاوم (rR) از بازوی محرک (rE) بزرگتر خواهد شد و مزیت مکانیکی آن از یک کم تر خواهد شد.
نكته3: تغییر جهت نیرو در این ماشین بستگی به نحوه بستن ریسمان ها به چرخ و محور دارد.
چرخ و محور نیز نوعی اهرم است. با این تفاوت که :
1) چرخ و محور نه در دامنه ی حرکت محدودیت دارد و نه در مزیت مکانیکی
2) اهرم پس از مدتی چرخش به دور تکیه گاه متوقف می شود ولی در چرخ و محور خیر.
4- سطح شیب دار
هر سطحی که با سطح افق زاویه ای کوچکتر از 90 درجه بسازد, سطح شیب دار است.
به وسیله سطح شیب دار می توانیم یک جسم سنگین را با وارد کردن نیرویی کوچک تر از وزن آن, به داخل کامیون منتقل می کنیم.
در این صورت به کمک یک نیروی کم اما در مسافتی طولانی, جسمی را به سمت بالا حرکت می دهیم.
اگر بخواهیم جسمی را در راستای قائم بلند کنیم باید نیرویی برابر وزن جسم (mg) به آن وارد کنیم ولی با استفاده از سطح شیب دار و با چشم پوشی از اصطکاک نیرویی کم تر از نیروی وزن (mgsinΘ) لازم است تا جسم را از سطح زمین بالا برد.
نکته: هر چه زاویه سطح شیب دار کوچک تر باشد نیروی کم تری برای بالابردن جسم لازم است در نتیجه طول سطح شیب دار نسبت به ارتفاع آن بیش تر خواهد شد.
نکته1: در سطح شیب دار, طول سطح (L) جابه جایی نیروی محرک (dE) و ارتفاع سطح (h) جابه جایی نیروی مقاوم (dR) خواهد بود. هرگاه نیروی محرک به اندازه طول سطح شیب دار (L) جابه جا شود, نیروی مقاوم به اندازه ارتفاع سطح شیب دار (h) جابه جا خواهد شد.
dE = L , dR = h
نکته2: برای آنکه بخواهیم سینوس یک زاویه را به دست آوریم از راه زیر استفاده می کنیم.
مزیت مکانیکی کامل سطح شیب دار از رابطه زیر به دست می آید.
با توجه به رابطه ی h=Lsin Θ داریم:
توجه: چون در عمل همیشه مقداری نیروی اصطکاک وجود دارد. بنابر این برای بالابردن جسم بر روی سطح شیب دار نیرویی بیش تر از mgsin Θ لازم است و مقدار نیروی محرک واقعی از رابطه ی زیر به دست می آید.
واقعي E = mgSinΘ + f(نيروي اصطكاك)
گوه:
یک سطح شیب دار متحرک است و معمولا از دو سطح شیب دار ساخته شده است. نوک تبر, قیچی, چاقو و هر وسیله تیز و برنده گوه است. یکی از کاربردهای گوه شکاف دادن تنه درختان است.
وقتی با پتک به گوه نیرو وارد می شود, گوه به جلو رانده می شود در نتیجه از طریق سطوح جانبی گوه, نیروی بزرگتری به هر طرف شکاف وارد می شود.
نکته1: طول گوه جابه جایی نیروی محرک و ضخامت گوه, جابه جایی نیروی مقاوم است.
نکته2: طول گوه را با L ضخامت گوه را با t نشان می دهند.
dE = L , dR = t
مزیت مکانیکی کامل گوه:
نکته: هر چه طول گوه نسبت به ضخامت گوه بیش تر باشد, یعنی گوه نازک تر باشد, مزیت مکانیکی کامل آن بیش تر است.
پیچ:
سطح شیب داری است که دور یک میله پیچیده شده است.
به هر بر آمدگی پیچ یک دنده می گویند.
فاصله ی دو برآمدگی یا دو فرو رفتگی پیچ را پای پیچ می گویند.
پای پیچ با حرف P نمایش داده می شود.
هرگاه محیط پیچ یک دور کامل بچرخد پیچ به اندازه فاصله یک دنده تا دنده دیگر (پای پیچ) جابه جا می شود.
نکته: محیط پیچ جابه جایی نیروی محرک و پای پیچ, جابه جایی نیروی مقاوم است.
مزیت مکانیکی کامل پیچ از رابطه زیر به دست می آید.
نکته: از پیچ های استوانه ای برای اتصال قطعات فلزی و از پیچ های نوک تیز برای اتصال قطعات چوبی استفاده می شود.
از ترکیب پیچ و گوه, مته به وجود می آید.
چگونه می توان از ماشین های ساده کمک بیش تری گرفت؟
1- با ایجاد تغییراتی در آن ها
2-با ترکیب کردن آن ها
هنگامی که دو یا چند ماشین ساده با هم ترکیب شوند و ماشین جدیدی را به وجود آورند, ماشین مرکب یا پیچیده ساخته می شود.
مثال: از ترکیب گوه و اهرم, قیچی ساخته می شود.
مزیت مکانیکی ماشین های مرکب:
در ماشین های مرکب مزیت مکانیکی کل دستگاه را می توان از حاصل ضرب مزیت مکانیکی ماشین های ساده سازنده آن به دست آورد.
ِA=A1× A2× A3×…..
کار ،توان ، انرژی (بخش اول )