كيف تعمل الرافعة: نقطة الارتكاز، عزم الدوران، والفائدة الميكانيكية.

مما تتكون الرافعة.

تتكوّن كل رافعة من ثلاثة أجزاء أساسية:

• نقطة الارتكاز، وهي النقطة الثابتة التي يدور حولها القضيب،
• القوة المبذولة، وهي الدفع أو السحب الذي تطبّقه، و
• الحمل، وهو الشيء الذي تريد تحريكه أو مقاومته.

المسافة من نقطة الارتكاز إلى الموضع الذي تؤثر فيه القوة المبذولة تُسمّى ذراع القوة المبذولة. أما المسافة من نقطة الارتكاز إلى الحمل فتُسمّى ذراع الحمل. وينتج معظم ما يميّز سلوك الرافعة من مقارنة هذين الطولين.

لا تولّد الرافعة طاقة. إنها تتيح لك توزيع الشغل نفسه على قوة ومسافة مختلفتين، ولهذا تبدو المهمة أسهل أو أسرع، لكن ليس الأمرين معًا أبدًا.

عزم الدوران وقاعدة الاتزان

تُدير القوةُ قضيبًا بفاعلية أكبر كلما أثّرت فيه على مسافة أبعد من المحور. ويُسمّى تأثير الدوران هذا عزم الدوران، وبالنسبة إلى قوة تؤثّر بزاوية قائمة على القضيب:

torque = force × arm length

تبقى الرافعة متوازنة عندما يساوي عزم الدوران الذي يحاول تدويرها في اتجاه عزم الدوران الذي يحاول تدويرها في الاتجاه الآخر:

effort × effort arm = load × load arm

إليك مثالًا سريعًا بأرقام افتراضية. يوجد حمل كتلته 600 g على بُعد 15 cm من نقطة الارتكاز. ولموازنته بقوة تؤثّر على بُعد 30 cm في الجهة الأخرى، لا تحتاج القوة إلا إلى نصف الحمل، لأن ذراعها أطول بمرتين. ويمكنك أيضًا موازنة الحمل نفسه بدفعة أقوى أقرب إلى نقطة الارتكاز.

بإعادة ترتيب المعادلة نحصل على الفائدة الميكانيكية، وهي نسبة الحمل إلى القوة:

MA = effort arm ÷ load arm

إذا كان ذراع القوة أطول بثلاث مرات من ذراع الحمل، فيمكنك رفع حمل يساوي تقريبًا ثلاثة أضعاف القوة التي تدفع بها.

لا يوجد شيء مجاني.

قد تبدو الفائدة الميكانيكية الأكبر من 1 صفقةً رائعة، لكنها لها ثمن. لكي ترفع الحمل مسافة قصيرة، يجب أن يتحرك طرفك مسافة أكبر بكثير. حرّك نقطة الارتكاز نحو الحمل، وستحتاج إلى قوة أقل، لكن عليك أن تدفع طرفك عبر قوس أطول.

هذه هي القاعدة الذهبية للآلات: القوة الأقل تعني دائمًا مسافة أكبر. في الرافعة المثالية، يكون حاصل ضرب القوة في المسافة متساويًا عند الطرفين، لذلك يساوي الشغل الذي تبذله الشغل الذي تحصل عليه. تفقد الروافع الحقيقية جزءًا صغيرًا من ذلك بسبب الاحتكاك والانثناء، لكنها لا تستطيع تجاوز تلك النهاية.

ويُعدّ تحريك نقطة الارتكاز طريقةً أخرى للاختيار بين المتانة والسرعة. يعني ذراع القوة القصير حركةً كبيرة عند طرف الحمل مقابل حركة صغيرة ليدك. وهذا مفيد عندما تكون السرعة أو مدى الوصول أهم من القوة.

الأنواع الثلاثة من الرافعة

تُصنَّف الرافعات بحسب الجزء الموجود في المنتصف.

الفئة الأولى: نقطة الارتكاز في المنتصف

يوجد الجهد والحمل على جانبين متقابلين من محور الارتكاز. ومن أمثلتها الأراجيح والمقصات والعتلات. وبما أنه يمكنك تحريك نقطة الارتكاز إلى أي مكان بين الطرفين، فقد تكون الفائدة الميكانيكية أكبر من 1، أو تساوي 1، أو أقل من 1.

الفئة الثانية: الحمل في المنتصف

يوجد الحمل بين نقطة الارتكاز والجهد، لذلك يكون ذراع الجهد أطول دائمًا. تعمل عربة اليد وفتّاحة الزجاجات بهذه الطريقة، وهما تضاعفان قوتك دائمًا.

الفئة الثالثة: الجهد في المنتصف

يُطبَّق الجهد بين نقطة الارتكاز والحمل. تكون الفائدة الميكانيكية أقل من 1، لذلك تدفع بقوة أكبر من وزن الحمل. لكنك تحصل في المقابل على حركة أبعد وأسرع عند طرف الحمل. الملقاط وقضبان الصيد والساعد البشري كلها رافعات من الفئة الثالثة: ترتبط عضلتك بالقرب من المرفق، ما يمنح يدك حركة واسعة وسريعة.

الأخطاء الشائعة

• Measuring from the wrong place. Arms are measured from the fulcrum, not from the end of the bar.
• Thinking longer always wins. A long effort arm helps force, but only if the load arm stays short. It is the ratio that counts.
• Forgetting the angle. The balance rule above assumes the force is at right angles to the bar. A push at a slant has a smaller turning effect.
• Believing third-class levers are bad. They give up force on purpose to gain speed and range, which is just what a baseball bat or your arm needs.

كيفية استكشاف ذلك في المختبر.

يتيح لك مختبر الآلات البسيطة تحريك رافعات حقيقية والشعور بأثر تحريك نقطة الارتكاز. إليك ترتيبًا مناسبًا لاستكشاف العالم الأول المجاني:

1. ابدأ بـ ما الرافعة؟ لتتعرف إلى أجزائها.
2. حرّك نقطة الارتكاز في نقطة الارتكاز، وشاهد كيف تتبادل القوة والمسافة.
3. قارن بين الأنواع الثلاثة: روافع النوع الأول، وروافع النوع الثاني، وروافع النوع الثالث.
4. طبّق الأرقام في لعبة التوازن.

المختبر نموذج مبسط يستخدم قضبانًا صلبة عديمة الوزن ولا يتضمن احتكاكًا، لذا تكون النتائج واضحة. تنثني الأدوات الحقيقية وتتآكل وتفقد قليلًا من الطاقة، لكن قاعدة التوازن تصفها جيدًا.