درس ۱ · صفحهٔ ۹۵ تا ۹۸ · حدود ۱۳ دقیقه · تولید هوش مصنوعی
ماشینها چگونه به ما کمک میکنند؟
در این درس یاد میگیری ورودی و خروجی ماشینها را تشخیص بدهی، نقش ماشینهای ساده را توضیح بدهی و اثر چرخانندگی نیرو و عوامل مؤثر بر آن را بشناسی.
پیش از شروع
چطور ممکن است یک نفر با کمک یک میله، جسمی را جابهجا کند که وزنش چند برابر وزن خودش است؟
آن میله میتواند مانند یک اهرم عمل کند؛ یعنی یک ماشین ساده باشد که جابهجایی جسم سنگین را آسانتر میکند. ماشینها فقط خودرو و دستگاههای برقی نیستند؛ بعضی از آنها به سادگی یک میلهاند!
ورودی و خروجی ماشین
ورودی و خروجی ماشین
وقتی سوار دوچرخه میشوی، فقط روی زین نشستن کافی نیست؛ باید رکاب بزنی! برای شناخت کار دوچرخه، دو پرسش میپرسیم: ما چه چیزی به ماشین میدهیم؟ ماشین چه کاری برایمان انجام میدهد؟
ورودی چیزی است که به ماشین میدهیم یا کاری است که انجام میدهیم تا ماشین کار کند. خروجی چیزی است که ماشین در پاسخ برایمان انجام میدهد. در دوچرخه، نیروی پای تو به پدال، ورودی است و حرکت دوچرخه، خروجی آن است؛ مثلاً با رکاب زدن میتوانی سریعتر حرکت کنی یا از شیب بالا بروی.
یک نمونهٔ آشنا هم مدادتراش دستی است: با دستت دسته را میچرخانی و مدادتراش، نوک مداد را میتراشد. پس برای پیدا کردن ورودی و خروجی، بهترتیب از «کاری که ما انجام میدهیم» به «کاری که ماشین برای ما انجام میدهد» نگاه کن.
کتاب درسی، صفحهٔ ۹۶
ماشینها از چه ساخته شدهاند؟
ماشینها از چه ساخته شدهاند؟
دوچرخه را در ذهن بیاور: چرخها، پدالها، چرخدندهها و پیچومهرههایش را میبینی؟ دوچرخه یک ماشین است، اما خودش از اجزای سادهتری ساخته شده است. به این اجزا ماشین ساده میگوییم؛ چرخ و محور، چرخدنده و اهرم از نمونههای آناند.
این اجزا جدا از هم کار نمیکنند؛ با هم در ارتباطاند و هدف مشترکی دارند. وقتی رکاب میزنی، همکاری بخشهای دوچرخه باعث میشود کار نیروی پایت به حرکت دوچرخه تبدیل شود و بتوانی سریعتر و بیشتر جابهجا شوی.
مثلاً اگر زنجیر دوچرخه از جای خود خارج شود، رکاب میچرخد، اما دیگر مثل قبل چرخ را به حرکت درنمیآورد. پس فقط وجود قطعهها کافی نیست؛ ارتباط درست آنها هم برای کارکرد ماشین لازم است.
کتاب درسی، صفحهٔ ۹۷
ساده، اما کارراهانداز
ساده، اما کارراهانداز
برای جابهجا کردن یک جسم سنگین، همیشه لازم نیست سراغ دستگاهی بزرگ و پیچیده برویم. گاهی یک میلهٔ محکم که به شکل اهرم به کار میرود، انجام این کار را آسانتر میکند. چنین وسیلهای یک ماشین ساده است؛ یعنی وسیلهای مکانیکی که به ما در انجام کارهای دشوار کمک میکند.
مثلاً وقتی میخواهیم جعبهای سنگین را از زمین به داخل وانت ببریم، بلند کردن مستقیم آن دشوار است. قرار دادن یک تختهٔ محکم و شیبدار میتواند جابهجایی جعبه را آسانتر کند. این تخته نقش سطح شیبدار را دارد و نمونهای از ماشین ساده است. اهرم و قرقره هم نمونههای دیگرند.
پس واژهٔ «ماشین» فقط به خودرو یا وسایل موتوردار اشاره ندارد؛ یک وسیلهٔ بدون موتور هم میتواند ماشین باشد و کار ما را آسانتر کند.
کتاب درسی، صفحهٔ ۹۷
نیرو چگونه میچرخاند؟
نیرو چگونه میچرخاند؟
وقتی درِ اتاق را باز میکنی، نیرو فقط در را جابهجا نمیکند؛ آن را حول لولاها میچرخاند. به اثر چرخانندگی نیرو، گشتاور نیرو میگوییم. در این مثال، لولاها محل محور چرخشاند.
چه چیزی این اثر چرخانندگی را بیشتر میکند؟ دو عامل مهماند:
- اندازهٔ نیرو: اگر در همان نقطه و در همان جهت، نیروی بیشتری وارد کنی، اثر چرخانندگی بیشتر میشود.
- فاصله از محور چرخش: اگر نیروی یکسانی را عمود بر سطح در وارد کنی، هرچه محل فشار از لولاها دورتر باشد، اثر چرخانندگی بیشتر است.
برای همین، دستگیرهٔ در را نزدیک لولا نصب نمیکنند! فشار دادن نزدیک لولا، برای ایجاد همان اثر چرخانندگی، نیروی بیشتری میخواهد. پس هنگام بررسی چرخش، فقط نپرس «چقدر نیرو وارد شد؟»؛ بپرس «نیرو کجا وارد شد؟»
کتاب درسی، صفحهٔ ۹۸
مثال حلشده
خطکشی را از یک سر افقی نگه داشتهایم و از نقطهای از آن وزنه آویزان است. ابتدا بدون تغییر جای وزنه، وزنههای بیشتری اضافه میکنیم. سپس با ثابت نگه داشتن تعداد وزنهها، محل آویختن آنها را از دست دورتر میکنیم. در هر حالت، نگه داشتن خطکش چه تغییری میکند و چرا؟
وزن وزنهها میخواهد خطکش را حول محل نگهداشتن آن بچرخاند؛ دست باید با این اثر چرخانندگی مقابله کند.
با اضافه کردن وزنهها در همان نقطه، نیروی وارد بر خطکش بیشتر میشود؛ پس گشتاور بیشتر و نگه داشتن خطکش دشوارتر میشود.
با ثابت ماندن تعداد وزنهها، نیروی وزن تغییر نمیکند؛ اما دورتر کردن محل آویختن وزنهها، فاصلهٔ اثر نیرو تا محور چرخش را بیشتر میکند.
بنابراین در حالت دوم هم گشتاور بیشتر میشود و دست باید با اثر چرخانندگی بیشتری مقابله کند.
نکات مهم
- ورودی ماشین چیزی است که برای کار کردن به آن میدهیم و خروجی، کاری است که ماشین برای ما انجام میدهد.
- ماشینهای ساده مانند اهرم، قرقره و سطح شیبدار کارهای دشوار را آسانتر میکنند و میتوانند اجزای ماشینهای پیچیده باشند.
- گشتاور اثر چرخانندگی نیرو است و اندازهٔ نیرو و فاصلهٔ محل اثر آن تا محور چرخش بر آن تأثیر دارند.