الدرس الثاني: الآلات البسيطة (Simple Machines)
المتوسط - الصف التاسع
مقدمة
نستخدم في حياتنا اليومية كثيراً من الآلات التي تساعدنا على إنجاز أعمالنا، منها البسيطة مثل: المقص، الملقط، ومنها المركبة مثل: الدراجة والسيارة. الآلات تسهل علينا إنجاز أعمالنا المختلفة سواء كانت تعمل بمحركات أم بأشخاص.
في هذا الدرس، سوف نتعرف أنواع الآلات البسيطة، وكيف تساعدنا على إنجاز الشغل بسهولة، وما معنى الفائدة الآلية والكفاءة.
أولاً: تعريف الآلة البسيطة (Simple Machine)
الآلة البسيطة هي أداة تساعدنا على إنجاز الشغل بسهولة، وذلك بتغيير:
مقدار القوة المؤثرة في الجسم.
اتجاه القوة.
كليهما (المقدار والاتجاه).
مقدار المسافة (الإزاحة).
ملاحظة مهمة:
الآلة البسيطة لا تقلل من الشغل المبذول، وإنما تسهل إنجازه. الشغل الناتج يساوي الشغل المبذول (في الحالة المثالية)، لكن القوة قد تقل على حساب زيادة المسافة، أو العكس.
أنواع الآلات البسيطة الستة
المستوى المائل
Inclined Plane
الرافعة
Lever
البكرة
Pulley
الدولاب والمحور
Wheel and Axle
الوتد
Wedge
البرغي
Screw
ثانياً: المستوى المائل (Inclined Plane)
تعريفه وكيف يعمل
هو سطح يكون أحد طرفيه أعلى من الآخر. يعمل على تقليل القوة اللازمة لإنجاز الشغل نفسه، لكنه بالمقابل يزيد المسافة.
مثال (ص 79):
لرفع برميل 1200 N لارتفاع 1 m:
بدون مستوى مائل:
باستخدام مستوى مائل أملس طوله 3 m:
النتيجة: القوة قلت للثلث، والمسافة زادت 3 أمثال.
الفائدة الآلية (MA)
النسبة بين المقاومة (الحمل) إلى القوة (الجهد).
القانون العام:
للمستوى المائل الأملس (IMA):
بإهمال الاحتكاك، الفائدة تعتمد فقط على الأبعاد.
ثالثاً: الرافعة (Lever)
ما هي الرافعة؟
الرافعة هي آلة بسيطة تتكون من ساق صلبة تدور حول نقطة ثابتة تسمى نقطة الارتكاز.
نقطة الارتكاز
النقطة الثابتة التي تدور حولها الساق.
القوة المؤثرة (Effort)
القوة التي نبذلها لتحريك الجسم (F1).
المقاومة (Resistance)
وزن الجسم المراد تحريكه (F2).
قانون الرافعة (عند الاتزان):
القوة × ذراعها = المقاومة × ذراعها
الفائدة الآلية للرافعة:
توفر القوة لأن ذراع القوة أطول.
| المجموعة | الوصف | أمثلة | الفائدة الآلية |
|---|---|---|---|
| الأولى | الارتكاز بين القوة والمقاومة | المقص، العتلة، الميزان | يمكن أن تكون >1 أو <1 أو ="1 |
| الثانية | المقاومة بين الارتكاز والقوة | عربة اليد، كسارة البندق | دائماً > 1 (توفير قوة) |
| الثالثة | القوة بين الارتكاز والمقاومة | الملقط، مضرب البيسبول | دائماً < 1 (سرعة ودقة) |
رابعاً: البكرة (Pulley)
البكرة هي عجلة محززة يدور حولها حبل أو سلك. تستخدم لرفع الأجسام الثقيلة عن طريق تغيير اتجاه القوة أو تقليل مقدارها.
البكرة الثابتة
تثبت في مكانها ولا تتحرك مع الجسم.
- تغير اتجاه القوة فقط (تشد لأسفل ليرتفع الجسم).
- الفائدة الآلية (MA = 1).
- القوة المطلوبة = وزن الجسم.
البكرة المتحركة
تتحرك مع الجسم المراد رفعه.
- تضاعف القوة (تحتاج نصف الوزن فقط).
- الفائدة الآلية (MA = 2).
- لا تغير اتجاه القوة (تحتاج شد للأعلى).
خامساً: الدولاب والجذع (Wheel and Axle)
يتكون من دولاب (عجلة) كبيرة مثبتة على جذع صغير. عند إدارة الدولاب، يدور المحور معه.
الفائدة الآلية:
كلما زاد الفرق بين نصف قطر الدولاب والجذع، زادت الفائدة الآلية.
سادساً: كفاءة الآلة (Machine Efficiency)
لماذا لا توجد آلة مثالية؟
في العالم الحقيقي، لا يمكن لأي آلة أن تعيد لك كل الشغل الذي بذلته فيها. دائماً ما يضيع جزء من الطاقة على شكل حرارة ناتجة عن الاحتكاك.
تعريف الكفاءة:
هي النسبة المئوية للشغل الناتج المفيد مقارنة بالشغل المبذول.
قانون الكفاءة:
مبدأ حفظ الطاقة في الآلات:
ملخص الدرس (جدول المقارنة)
| الآلة البسيطة | الصيغة | الفائدة الآلية | أمثلة |
|---|---|---|---|
| المستوى المائل | MA = l/h | > 1 | منحدر، طريق جبلي |
| الرافعة (الأولى) | MA = d₂/d₁ | أي قيمة | مقص، عتلة |
| البكرة الثابتة | MA = 1 | 1 | رفع علم |
| البكرة المتحركة | MA = 2 | 2 | رفع أثقال |
| الدولاب والمحور | MA = R/r | > 1 | مقود سيارة |
خلاصة الدرس
الآلات البسيطة هي أدوات أساسية تعيد توزيع الشغل بطريقة تناسب احتياجاتنا. تذكر دائماً: الآلة لا تخلق طاقة ولا تقلل الشغل، لكنها توفر الجهد بزيادة المسافة أو تغيير الاتجاه.