مبدأ الرافعة

يتطلب رفع جسم ما باليد تطبيق قوة على هذا الجسم مباشرة. حيث يجب على القوة العضلية أن تتجة نحو الأعلى وشدتها (تقاس بالنيوتن) أكبر من شدة وزن الجسم. غير أن هذا ليس ممكنا إلا بالنسبة للأجسام الخفيفة.

الرافعة آلة بسيطة، من شأنها تغيير شدة واتجاه القوة التي يجب تطبيقها لتحريك جسم ما. فهي تمكن من تخفيض الجهد المطلوب لرفع هذا الجسم.

الرافعة عبارة عن ساق متينة تتحرك حول نقطة ثابتة تسمى نقطة ارتكاز (مرتكز). حيث يوضع الجسم المراد رفعه على الساق. وعندما نطبق قوة، بالشكل المناسب، على هذه الساق، تقوم بالدوران حول نقطة ارتكازها.

لقد كان العالم اليوناني أرخميدس أول من اكتشف هذا المبدأ في القرن الثالث قبل الميلاد. حيث عبر عن ذلك بعبارته الشهيرة: "أعطني نقطة ارتكاز وسأرفع العالم بإسره" (أرخميدس، رواية بابيس- القرن الرابع).

حرك الشخص، الكتلة والمرتكز. ثم بعد ذلك، قم بتحريك مؤشر الفأرة لتطبيق قوة مؤثرة.

• فهم مبدأ الرافعة.
• محاكاة ظروف توازن رافعة.
• تحديد الأنواع الثلاثة للروافع.

لقد كان تحريك أو رفع الأجسام الثقيلة يشكل تحديا حقيقيا بالنسبة للإنسان الذي صمم، منذ القدم، آليات وأدوات لمساعدته على ذلك: آليات للبناء وآليات للنقل وأخرى للقتال، ...

وقد ارتكزت هذه الاختراعات على نمطين من الآليات البسيطة: السطح المائل (غير متداول في هذا الدرس) والروافع.

مبدأ اشتغال الرافعة:

يتطلب صنع رافعة عنصرين اثنين هما: ساق ومرتكز (نقطة ارتكاز ثابتة).

الهدف هو رفع جسم ما عن طريق تحرك الساق حول المرتكز.

يشكل وزن الجسم قوة مقاومة متجهة نحو الأسفل. بينما القوة المؤثرة هي قوة العضلات المستعملة لتعويض هذه المقاومة. وتقاس بالنيوتن (الوحدة N). حيث تمكن قوة مؤثرة مساوية لـ: 9.81N من رفع كتلة وزنها 1Kg من على سطح الأرض.

والرافعة جد فعالة لدرجة أن قوة مؤثرة ضعيفة تمكن من تحريك مقاومة قوية جدا. حيث الميزة الميكانيكية هي خارج شدة الوزن على شدة القوة المؤثرة.

هناك ثلاثة أنواع من الروافع حسب موضع القوى والمرتكز:

• الرافعة من النوع الأول (أو الارتكاز البيني): حيث يتموضع المرتكز بين القوى المؤثرة والمقاومة التي تضغط على الساق (مثل المنجنيق).
• الرافعة من النوع الثاني (أو الحمولة البينية): حيث تطبق المقاومة بين القوة المؤثرة التي ترفع الساق والمرتكز (مثل عربة اليد).
• الرافعة من النوع الثالث (أو القوى البينية): حيث ترفع القوة المؤثرة الساق وتُطبق بين المقاومة والمرتكز (مثل الساعد). في هذه الحالة، تكون الميزة الميكانيكية دائما أقل من العدد واحد (أقل فعالية).

بعض النظريات:

إذا كانت O هي نقطة الارتكاز وA نقطة تأثير القوة المؤثرة ذات الشدة FM وB نقطة تأثير القوة المقاومة ذات الشدة P. فإن توازن الساق سيتحقق عند المعادلة:

OA × F_M=OB × P

حيث تمثل المسافتان OA وOB ذراعي القوة المؤثرة والوزن (إنها المسافة الفاصلة بين المرتكز ونقطة تأثير القوة).

إذا كان OA × F_M > OB × P فإن الساق تتأرجح والجسم يرتفع. هناك إمكانيتان اثنتان:

• شدة القوة المؤثرة FM قوية، وذراعها OA قصيرة.
• شدة القوة المؤثرة FM ضعيفة، وذراعها OA طويلة.

الإمكانية الثانية هي الأكثر أهمية، لأن الميزة الميكانيكية أكبر من العدد واحد. فشدة القوة المؤثرة لنقل الجسم أضعف من شدة الوزن. وبالتالي، مفعول الرافعة هو مضاعفة القوة المؤثرة.