المقدمة:

الآلات هي الركيزة الأساسية لتطوير الحضارة الإنسانية، فمن خلالها استطاع الإنسان تحويل قوى الطبيعة وتوجيهها لصالحه، مما أدى إلى تحسين جودة الحياة وتسهيل أداء المهام اليومية. يعكس استخدام الآلات تقدم البشرية في مجال التكنولوجيا والهندسة، حيث يتنوع نطاقها بين الأدوات البسيطة اليومية والآلات المعقدة والمركبة. في حياتنا اليومية، نعتمد على الآلات لتسهيل العديد من الأنشطة، سواء كانت أعمال يدوية بسيطة أو وسائل النقل الحديثة. تتنوع الآلات بين فتاحات الزجاجات ومفاتيح البراغي وصولاً إلى الدراجات الهوائية والسيارات. ومع تقدم التكنولوجيا، أصبحت هذه الآلات تعتمد على محركات وتقنيات معقدة لتلبية احتياجات الحياة الحديثة.

عناصر المقالة:

1.       الآلات Machines:

2.       فوائد Benefits of Machines:

3.       الفائدة الميكانيكية:

4.   الكفاءة:

5.   الآلات Compound Machines:

6.       الختام:

الآلات Machines:

يستخدم الناس الآلات يوميا، فبعضها أدوات بسيطة، ومنها فتاحة الزجاجات ومفك البراغي، وبعضها الآخر مركبا، ومنها الدراجة الهوائية والسيارة. وسواء كانت هذه الآلات تدار بالمحركات أم بقوى بشرية فهي تؤدي في النهاية إلى تسهيل أداء المهام، كما تؤدي الآلة إلى تخفيف الحمل، وذلك بتغيير مقدار القوة أو اتجاهها؛ حتى تتناسب القوة مع مقدرة الآلة أو الشخص.

فوائد Benefits of Machines:

لندرس فتاحة الزجاجات المبينة في الشكل 9-4 ، فعندما تستخدم هذه الأداة فإنك ترفع طرفها البعيد، لذا تكون قد بذلت شغلا على الفتاحة، التي بدورها تبذل شغلا على الغطاء عندما ترفعه. ويُسمى الشغل الذي بذلته أنت في هذه الحالة الشغل المبذول ، أما الشغل الذي بذلته الأداة يسمى الشغل الناتج . تذكر أن الشغل هو عملية انتقال الطاقة بالطرق الميكانيكية. فأنت خزنت شغلاً في الأداة كفتاحة الزجاجات مثلاً؛ لذا تكون قد نقلت طاقة إلى هذه الأداة. وفي المقابل بذلت فتاحة الزجاجات شغلاً على الغطاء؛ ولذا فقد نقلت الطاقة إليه. لا تعد فتاحة الزجاجات مصدر طاقة، ولذلك لا يكتسب الغطاء طاقة تزيد على كمية الطاقة التي خزنتها في فتاحة الزجاجات. وهذا يعني أن الشغل الناتج لا يمكن أن يكون أكبر من الشغل المبذول.

الفائدة الميكانيكية:

 إن القوة التي أثرت في الآلة بواسطة شخص ما تسمى القوة المسلطة (المبذولة)، أو اختصارًا القوة. أما القوة التي أثرت بها الآلة فتسمى المقاومة . يبين لنا الشكل 9- ، أن القوة) هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة الشخص عند استخدام فتاحة الزجاجات، 

وأن (المقاومة) هي قوة رأسية إلى أعلى أثرت بواسطة فتاحة الزجاجات، وتسمى نسبة المقاومة إلى القوة الفائدة الميكانيكية MA للآلة.

القوتان و متساويتان في نظام البكرة الثابتة الموضحة في الشكل 10b-4 . لذا فإن MA تساوي 1، فما فائدة هذه الآلة ؟ تعد البكرة الثابتة مفيدة، ليس لأنها تقلل من القوة المسلطة، ولكن لأنها تغير من اتجاهها. إن الكثير من الآلات ومنها فتاحة الزجاجات في الشكل 9-4 نظام البكرات في الشكل 100-4- لهما فائدة ميكانيكية أكبر من 1، فعندما تكون الفائدة الميكانيكية أكبر من 1 فإن الآلة تعمل على زيادة القوة التي أثر بها شخص ما. تستطيع أن تعبر عن الفائدة الميكانيكية للآلة بطريقة أخرى مستخدما تعريف الشغل؛ حيث إن الشغل المبذول يساوي حاصل ضرب القوة التي يؤثر بها شخص ما في الإزاحة التي تحركتها يده (a)، والشغل الناتج يساوي حاصل ضرب المقاومة في إزاحة المقاومة (4)، وكما أسلفنا لا تستطيع الآلة زيادة الطاقة، لكنها تستطيع زيادة القوة. أما الآلة المثالية فتستطيع نقل الطاقة كلها؛ لذا فإن الشغل الناتج يساوي الشغل المبذول.

Frdr = Fede   أو Wo  = Wi

ويمكن إعادة كتابة هذه المعادلة على الصورة. تذكر أن الفائدة الميكانيكية يعبر عنها (IMA) ؛ لذا فإن الفائدة الميكانيكية المثالية (IMA) للآلة المثالية تساوي إزاحة القوة مقسومة على إزاحة المقاومة. ويمكن التعبير عن الفائدة الميكانيكية المثالية بالمعادلة.

الكفاءة:

 يكون الشغل المبذول في الآلات الحقيقية أكبر من الشغل الناتج. وأن إزالة الطاقة من النظام تعني أن هناك نقصانا في الشغل الذي تنتجه الآلة، ونتيجة لذلك تكون الآلة أقل كفاءة (فاعلية) عند إنجاز المهمة. ويمكن تعريف كفاءة الآلة (e) على أنها نسبة الشغل الناتج إلى الشغل المبذول.

إن كفاءة الآلة كنسبة مئوية (%) تساوي الشغل الناتج مقسوما على الشغل المبذول مضروبا في العدد 100. يحدد تصميم الآلات فائدتها الميكانيكية المثالية؛ في الآلة ذات الكفاءة العالية لها فائدة ميكانيكية تساوي غالباً كفاءتها الميكانيكية المثالية، وللحصول على قوة المقاومة نفسها فإنه يجب التأثير بقوة أكبر في الآلة ذات الكفاءة المتدنية مقارنة بالآلة ذات الكفاءة العالية.

الآلات المركبة Compound Machines:

تتركب معظم الآلات  بغض النظر عن مستوى تعقيدها من آلة بسيطة واحدة أو أكثر من الآلات الآتية: الرافعة، البكرة، العجلة والمحور المستوى المائل الوتد (الإسفين) البرغي انظر الشكل 11-4     

           ى      

إن الفائدة الميكانيكية المثالية (IMA) لكل الآلات الموضحة في الشكل 11-4 هي النسبة بين المسافات المقطوعة، ويمكن استبدال هذه النسبة الآلات "الرافعة" و "العجلة والمحور " مثلاً، بنسبة المسافات بين النقاط التي أثرت عندها كل من القوة والمقاومة ونقطة الارتكاز. تعتبر عجلة القيادة - كما في الشكل 12-4 - مثالاً شائعا العجلة والمحور؛ حيث تكون الفائدة الميكانيكية المثالية (IMA) هي النسبة بين نصفي قطري العجلة والمحور. الآلة المركبة هي الآلة التي تتكون من آلتين بسيطتين أو أكثر ترتبطان معا، بحيث تصبح المقاومة لإحدى هذه الآلات قوة (مسلطة) للآلة الأخرى.

تعمل كل من الدواسة وناقل الحركة الأمامي، في الدراجة الهوائية، عمل العجلة والمحور. حيث تكون القوة المسلطة) هي القوة التي يؤثر بها السائق في الدواسة السائق على الدراسة ) ، أما المقاومة فهي القوة التي يؤثر بها ناقل الحركة الأمامي في السلسلة كما في الشكل وتؤثر السلسلة بقوة (مسلطة) في ناقل الحركة الخلفي (السلسلة على ناقل الحركة F) تساوي القوة المؤثرة في السلسلة. ويعمل ناقل الحركة الإطار الخلفي عمل عجلة ومحور إضافيين. المقاومة هي القوة التي يؤثر بها الإطار في الطريق ( الإطار على الطريق وبحسب قانون نيوتن الثالث، فإن الأرض تؤثر بقوة مساوية في الإطار نحو الأمام، مؤدية إلى تسارع الدراجة الهوائية إلى الأمام. الفائدة الميكانيكية (MA) للآلة المركبة تساوي حاصل ضرب الفوائد الميكانيكية للآلات البسيطة التي تتكون منها، فمثلاً تكون الفائدة الآلية في حالة الدراجة الهوائية في الشكل 13-4. يعد تغيير ناقل الحركة في الدراجة الهوائية طريقة لتعديل نسبة أنصاف أقطار ناقل الحركة للحصول على الفائدة الميكانيكية المطلوبة. فإذا كانت دواسة الدراجة الهوائية في أعلى دورتها أو أسفلها، فإن مقدار القوة الرأسية التي تؤثر بها إلى الأسفل ليس مهما؛ فالدواسة لن تدور. إن قوة قدمك تكون أكثر فاعلية عندما تؤثر القوة في اتجاه عمودي على ذراع الدواسة؛ حيث يكون عندها عزم الدوران أكبر ما يمكن. افترض دائما أن القوة المؤثرة في الدواسة يكون اتجاهها عموديا على ذراعها، أي أنها تعطي أكبر عزم ممكن.

الختام:

1.       يظهر أن الآلات لها دور حيوي في حياتنا اليومية، سواء كانت بسيطة مثل فتاحة الزجاجات أو معقدة مثل الدراجة الهوائية. تقدم الآلات فوائد عديدة، من تسهيل أداء المهام إلى تقديم تحسين في كفاءة العمل. يمكننا فهم أداء الآلات من خلال مفاهيم ميكانيكية مثل الفائدة الميكانيكية والكفاءة.

2.       الفائدة الميكانيكية تعكس قدرة الآلة على تضخيم القوة أو تغيير اتجاهها، والكفاءة تقيس كفاءة الآلة في تحقيق العمل المفروض. يمكن للآلات المركبة، التي تتألف من عدة آلات بسيطة، أن توفر فوائد أكبر من مجرد آلة واحدة.

3.       فهم عمل الآلات وكيفية تحسين أدائها يسهم في تطوير التكنولوجيا وتطبيقها في حياتنا اليومية. استمرار البحث والتطوير في مجال الهندسة الميكانيكية والتكنولوجيا يعزز الابتكار ويجعل الآلات أكثر فعالية وفاعلية في مساعدتنا على تحقيق المهام بشكل أسهل وأكثر كفاءة.

قم بالتجربةبنفسك من خلال منصة ڤلابي لمعامل العلوم الافتراضية