تفاوت گوه و سطح شیبدار و پیچ چیست؟ – انواع و کاربرد آن ها

به زمین دارای زاویه، سطح شیبدار گفته می شود، اما از ترکیب دو سطح شیبدار یک ماشین ساده به نام گوه تشکیل می شود. زاویه ای که سطح شیبدار دارد بین صفر تا ۹۰ درجه است. سطح شیبدار به عنوان ماشینی در فیزیک تعریف می شود که می تواند اجسام را با زیاد کردن نیرو و همچنین ایجاد تغییر جهت در آن، جابجا کند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با تعریف سطح شیبدار، کاربرد آن و همچنین تفاوت هایی که با گوه و پیچ دارد، آشنا می کند.

سطح شیبدار چیست؟

جاده های کوهستانی نمونه ای از سطوح شیبدار است که سطوحی هستند که با زمین دارای زاویه هستند. در سطح شیبدار تغییر جهت نیرو وجود دارد چون جهت نیروی محرک رو به جلو و جهت نیروی مقاوم آن رو به بالاست. در این سطح افزایش نیرو وجود دارد چون جابجایی آن در مسافت کم با مقاومت زیاد همراه بوده و در مسافتی طولانی با نیروی محرک کم همراه است. همیشه طول سطح شیب دار از ارتفاع آن بزرگتر بوده و افزایش نیرو متناسب با بزرگ بودن این نسبت است. وقتی این شرایط برقرار باشد، مزیت مکانیکی بسیاری خواهد داشت.

مزیت مکانیکی سطح شیبدار

مزیت مکانیکی همان چگونگی کمک کردن سطح شیب دار به جابجایی اجسام را به ما نشان می دهد. در توضیح این عبارت می توان گفت با چسباندن نردوبان به دیوار، به سختی می توان از آن بالا رفت. برای این که بالا رفتن از نردوبان به راحتی انجام شود، کمی نردوبان را از دیوار دور می کنیم. در این حالت نسبت طول سطح شیبدار به ارتفاع آن بزرگتر شده و بالا رفتن از آن راحت تر خواهد بود. به عبارت دیگر به نسبت میزان جابجایی نیروی محرک به میزان جابجایی نیروی مقاوم، مزیت مکانیکی می گویند.

نیروی محرک در جهت طول سطح شیبدار و موازی با آن بوده و اندازه طول سطح شیبدار، برابر نیروی محرک است. اما وزن جسمی که در طول سطح شیبدار جابجا می شود به عنوان نیروی مقاوم در این سطح است. نیرویی که از طرف وزن جسم به سطح وارد می شود در جهت قائم بوده و به شکل عمود بر سطح وارد می شود. مقدار جابجایی که جسم در سطح شیب دار دارد برابر با ارتفاع این سطح است.

پس با تقسیم طول سطح شیبدار به ارتفاع سطح شیب دار می توان مزیت مکانیکی را محاسبه کنید.

کاربرد سطح شیبدار

با استفاده از سطح شیب دار می توانیم اجسام را از زمین بلند کنیم در عین این که از انرژی کمتری استفاده می کنیم. پله های ساختمان ها نمونه ای از سطح شیبدار برای راحت کردن بالا رفتن است. ورودی شیبدار پارکینگ ها و پل های هوایی را نیز می توان به این مثال اضافه کرد.

نکات مربوط به مزیت مکانیکی سطح شیبدار

همیشه مزیت مکانیکی عددی بالاتر از یک خواهد داشت. چون با توجه به این که مزیت مکانیکی برابر با نسبت طول سطح شیب دار به ارتفاع آن است، اندازه طول همیشه بزرگتر از ارتفاع است. یعنی وتر در شکل مثلثی سطح شیبدار، بزرگتر از ارتفاع آن است. همچنین با کوچکتر بودن زاویه شیب، نیرو بزرگتر بوده و اندازه مزیت مکانیکی نیز بیشتر می شود. در کل مزیت مکانیکی با توجه به قوانین مثلت قائم الزاویه توضیح داده می شود.

گوه چیست؟

با چسباندن دو سطح شیب دار به هم می توان ماشینی ساده به نام گوه را ساخت که دارای دو انتهای نازک و ضخیم است. عملکرد گوه مانند سطح شیبدار است. تفاوتی که بین گوه با این سطح وجود دارد، متحرک بودن گوه است ولی سطوح شیبدار بدون حرکت هستند. تبر، اسکنه، تیغ اصلاح و چاقو نمونه هایی از ماشین ساده گوه هستند. از این وسایل برای برش و یا تقسیم اجسام استفاده می کنند. دو عامل افزایش نیرو و تغییر جهت نیرو در گوه وجود دارد. نیروی وارد شده در گوه از طرف خارج به سمت پایین و انتهای ضخیم آن بوده و اما نیرویی که گوه وارد می کند به سمت طرفین قسمت شیبدار است.

به عنوان مثال وقتی تنه یک درخت با تبر بریده می شود، نیرویی دو طرفه از تبر به تنه وارد می شود. عملکرد گوه باعث تقسیم جسم به دو قسمت می شود. گوه هایی نیز وجود دارد که برای راحتی کار دارای دسته هستند.

مزیت مکانیکی گوه

در تصور ذهنی، شکل گوه مثلثی است که با زیاد بودن ارتفاع گوه از قسمت انتهای آن، نیرو بیشتر خواهد بود. مزیت مکانیکی در یک گوه به نسبت ارتفاع گوه به ضخامت گوه را می گویند. در این نسبت هر چه ارتفاع گوه بیشتر از ضخامت انتهای آن باشد، به عدد بالاتری برای مزیت مکانیکی گوه می رسیم. با بالا بودن مزیت مکانیکی یک ماشین ساده مانند گوه، نیروی وارد شده به آن چند برابر می شود و در این کمیت نیروی ورودی و نیروی خروجی لحاظ می شود.

گوه نیز مانند سطح شیبدار، دارای مزیت مکانیکی بیشتر از یک است. نازک و بلند بودن گوه ها، باعث مزیت مکانیکی بیشتر آن ها نسبت به گوه های کوتاه و عریض می شود. نیروی وارد شده نیز باید به شکل مرتب و در فاصله کمتری به جسم وارد شود.

انواع گوه ها

دو نوع گوه منفرد و دوبل وجود دارد. اسکنه و دستگیره نمونه هایی از نوع منفرد و تبر و چاقو نمونه های از نوع دوبل هستند. با توجه به انواع گوه ها، گونه هایی که بلندتر و تیز تر هستند انرژی کمتری صرف انجام کار می کنند و مزیت مکانیکی آن بیشتر است. اما چون در نوک گوه های پهن و کوتاه زاویه کوچکتری دارند، انرژی بیشتری را برای انجام کار نیاز دارد.

از گذشته های دور تا به امروز از گوه ها استفاده های زیادی می شود. به عنوان نمونه از گوه ها برای ساختن نیزه در گذشته استفاده می شد و امروزه برای حرکت تندتر اتومبیل ها و جت های سریع استفاده می کنند. بیل ها، اره، قیچی، سوزن، پیچ گوشتی ها، سنجاق ها، گیره ها و منگنه ها نمونه هایی از گوه ها هستند.

تفاوت های سطح شیبدار و گوه

با این که در ظاهر می توان گفت تا حدی دو ماشین ساده سطح شیبدار و گوه شبیه به هم هستند، ولی گوه برای این که کاری انجام دهد حرکت می کند، ولی سطح شیبدار در هنگام انجام کار ثابت است. سطح شیبدار، سطحی صاف است که به سمت بالا کشیده می شود و به شکل مثلث در می آید. اما گوه از کنار هم قرار دادن دو تا از این سطح شیبدارها، از قسمت پایه در کنار هم تشکیل می شود.

در مقایسه بین گوه و سطح شیبدار می توان گفت که گوه یک سطح شیبدار متحرک است. نیروی ورودی از سمت عریض و پهن گوه است که نقطه اعمال آن انتهای باریک گوه است نیرو به بخش کوچک وارد می شود. ضربه با این نیرو به انتهای باریک گوه وارد می شود.

شباهت بین سطح شیبدار و گوه

یکی از شباهت های بین گوه و سطح شیب دار، تعریف کمیتی به نام مزیت مکانیکی است. نیرویی که به عنوان نیروی خروجی از ماشین های ساده ای چون گوه و سطح شیبدار خارج می شود بیشتر است. نیروی ورودی که از سمت ضخیم گوه وارد می شود در انتهای باریک چند برابر می شود. جسم توسط یک گوه شکافته می شود، در سطح شیب دار نیز نیروی گرانش توسط آن شکافته شده و سبب راحتی بالا رفتن یک جسم به قسمت بالای سطح می شود.

اگر این جسم به طور مستقیم بلند شود، سخت تر انجام خواهد شد. از شباهت های دیگر بین گوه و سطح شیب دار، وارد شدن نیروی اعمالی در یک فاصله است. نیرویی که به گوه وارد می شود از انتهای پهن به انتهای باریک و نیرویی که به یک شیب وارد می شود در یک فاصله عمل می کند. اما در این سطح برعکس گوه نیرو از سمت باریک به سمت پهن خواهد بود.

پیچ چیست؟

از اتصالاتی که در صنایع مختلف وجود دارد، پیچ است که به شکل موقتی است. این اتصال غیر دایم می تواند دو قطعه را به هم متصل کند. پیچ هم به عنوان یک ماشین ساده، به صورت سطح شیب دار مارپیچ تعریف می شود. نکته ای که در بالا رفتن مزیت مکانیکی سطح شیبدار وجود داشت، بالا بودن نسبت طول به ارتفاع بود که سبب افزایش نیرو می شد. اما با یک مثال می توان تعریف پیچ را با سطح شیبدار بیان کرد.

برای ساخت پلکان به شکل مستقیم در یک ساختمان با طبقات زیاد، به فضا و جای بیشتری نیاز است. اگر این پلکان به شکل مستقیم و به صورت یک سطح شیب دار ساخته شود، شیب تندی داشته و به سختی می توان با استفاده از آن، بالا رفت. دقیقا مانند نردوبانی که برای دادن شیب کمتر به آن باید دورتر از دیوار قرار گیرد. بنابراین این پلکان نیز باید خیلی دورتر از ساختمان باید باشد تا شیب ملایم تر و استفاده راحت تری داشته باشد. این شرایط نیاز به فضای خیلی زیادی از خیابان دارد. به همین دلیل پلکان به صورت مارپیچی ساخته می شود بدون این که ارتفاع ساختمان تغییر کند.

جاده های کوهستانی نیز به دلیل صرف انرژی کمتر، به شکل مارپیچی ساخته می شوند. در پیچ ها با کمتر بودن فاصله بین دنده ها، پیچیدن آن ها راحت تر بوده و طول سطح شیبدار در آن بیشتر می شود.

در یک پیچ به هر برآمدگی، دنده و به فاصله بین دو برآمدگی یا دو فرورفتگی، پای پیچ می گویند. با یکبار پیچیدن پیچ، فاصله یک دنده تا دنده دیگر جابجا می شود.

انواع پیچ ها

پیچ های فلز، چوب، ماشینی، آلن، نوک مته ای، مغزی، متری، شانه ای و … نمونه هایی از انواع پیچ ها هستند.

از سطح شیبدار در چه جاهایی استفاده می شود

صفحه شیب دار یا رمپ ماشین ساده ای است که هیچ قسمت متحرکی ندارد و حرکت نمی کند. سطح شیبدار به این دلیل مفید هستند که می توانند اجسام سنگین را در برابر نیروی گرانش بدون اینکه جسم به صورت عمودی حرکت کند بالا ببرند. در واقع کار در برابر گرانش را آسان تر می کند.

نیروی مورد نیاز برای غلبه بر گرانش بسیار کمتر از نیاز برای بلند کردن یک جسم به صورت عمودی است. با این حال، مسافت طی شده توسط جسم طولانی تر خواهد بود. سطح شیبدار اهداف بسیاری را از نیازهای اولیه تا کاربردهای مهندسی انجام می دهند. در ادامه به کاربردهای این سطح اشاره شده است.

• یک جاده شیب دار یک جاده را به یک پل یا روگذر متصل می کند.
• از رمپ به جای راه پله برای ویلچر و چرخ دستی های خرید در فروشگاه های بزرگ استفاده می شود.
• اهرام باستان دارای رمپ هایی بودند که به کارگران اجازه می داد تا سنگ ها را جمع کنند.
• یک پارکینگ دارای رمپ هایی است که به وسایل نقلیه اجازه می دهد از یک سطح به سطح دیگر حرکت کنند.
• در جلوی خانه‌ ها، ساختمان ‌های سنگی و کاخ‌ ها برای رانندگی وسایل نقلیه تا در ورودی از یک راهروی شیب ‌دار استفاده می ‌شود.
• یک بدلکار از رمپ بدلکاری برای اجرای بدلکاری موتور سیکلت استفاده می کند.
• کودکان برای تفریح از سرسره در زمین بازی استفاده می کنند.
• سرسره های آبی در پارک های آبی برای سرگرمی یافت می شوند.
• قنات های رومی قدیمی برای تسهیل جریان آب تمایل دارند.
• صندوق‌های پستی به‌ گونه ‌ای متمایل شده‌اند که حرف به سمت پایین بلغزد.
• خانه ها دارای سقف شیبدار هستند تا آب و برف روی آنها باقی نماند.
• در فیزیک و ریاضیات، یک صفحه مایل بردارها را به اجزای موازی و عمود بر صفحه تفکیک می کند.