الدرس الثاني: الآلات البسيطة (١)

الدرس ١٢ من ١٥العلومالصف الخامس الابتدائيصفحات ١٣٦–١٤٤

صفحة ١٣٦

صفحة ١ من ٩

صفحة ١٣٦

انظر إلى ألعاب الحديقة خلفك، كيف يلعب الطفلان في الصورة على هذه اللعبة التي تتحرك لأعلى ولأسفل؟ إننا نستعمل آلات مختلفة في حياتنا اليومية لتسهيل أعمالنا، وهذا الدرس سيأخذنا لنتعرف كيف تعمل هذه الآلات البسيطة وتساعدنا في إنجاز المهام بقوة أقل.

صفحة ١٣٧

ستقوم اليوم بتجربة عملية لمعرفة أيهما يتطلب شغلاً أكثر: رفع سيارة لعبة إلى سطح مائل أم رفعها عمودياً إلى نفس الارتفاع. أحضر سيارة لعبة وميزان نابض وكتباً ومسطرة. في الخطوة الأولى، علق السيارة بالميزان وسجل قراءته بوحدة النيوطن. ثم ابن سطحاً مائلاً بالكتب واسحب السيارة عليه بسرعة ثابتة مسجلاً قراءة الميزان والمسافة المقطوعة. احسب الشغل بضرب القوة في المسافة، ولاحظ هل كانت فرضيتك صحيحة وهل توجد قوى أخرى تؤثر في السيارة.

صفحة ١٣٨

عندما تحاول فك غطاء علبة دهان بمفك، فإنك تحول المفك إلى آلة بسيطة تساعدك على الفك بقوة قليلة. الألة البسيطة هي أداة تستخدم لتغيير مقدار القوة واتجاهها أو مسافتها لإنجاز الشغل. القوة التي تبذلها تسمى القوة المبذولة أو الجهد، والقوة الناتجة عن الآلة تسمى المقاومة. يسمى جزء الآلة الذي يقع عليه الجهد ذراع القوة، والجزء الذي يوصل هذا الجهد يسمى ذراع المقاومة. والنسبة بين طول الذراعين تسمى الفائدة الآلية، وكلما قصر ذراع المقاومة وزاد ذراع القوة كانت القوة المؤثرة في الجسم أكبر.

صفحة ١٣٩

في صورة الفك بالمفك، يوضح الرسم كيف تبذل قوة صغيرة لمسافة طويلة لتقوم الآلة البسيطة بعمل صعب لمسافة صغيرة، وهذا يقلل الزمن اللازم للعمل. هناك أمثلة أخرى في الطبيعة مثل فكوك القوارض التي تعمل كآلات بسيطة لتقضم الخشب القاسي بسبب فكوكها القوية. انظر إلى الرسوم الأعلى لتتعرف على أشكال الآلات البسيطة مثل الرافعة والبكرة والسطح المائل والعجلة والمحور والبرغي والوتد.

صفحة ١٤٠

الرافعة قضيب يتحرك حول محور يسمى نقطة الارتكاز، وهي تقوم بمضاعفة القوة أو المسافة أو السرعة، وأحياناً تغير اتجاه القوة المبذولة. انظر إلى ألعاب الحديقة مثل أرجوحة الميزان، فهي تمثل النوع الأول من الرافعة حيث تقع نقطة الارتكاز بين القوة المبذولة والقوة الناتجة. أما في عربة اليد بالأسفل، فهي تمثل النوع الثاني من الرافعة حيث تقع المقاومة بين نقطة الارتكاز والقوة المبذولة.

صفحة ١٤١

استخدم مسطرة وميزاناً نابضاً ومشابك ورق لتعمل هذا النشاط عن الروافع والقوة. في النوع الثاني من الرافعة توجد نقطة الارتكاز في الطرف وطول ذراع القوة أكبر من ذراع المقاومة، فنحصل على قوة ناتجة أصغر من مقدار القوة المبذولة، وهذا يساعد على التقاط الأشياء الدقيقة بأمان. كرر الخطوة بتغيير موضع الميزان النابض على مسافات مختلفة، وسجل قراءات الميزان لتكتشف العلاقة بين أطوال الأذرع والقوة اللازمة للاتزان.

صفحة ١٤٢

العجلة والمحور نوع من الآلات البسيطة يسهل صنعها وتشبه صخرة تتدحرج عندما تضع قضيباً أو عصاً في مركز العجلة يصبح استعمالها أسهل وأكثر فائدة. انظر إلى مقود السيارة في الصورة، فالجزء الذي يقبض به السائق يمثل العجلة، وأما الجزء الذي يتصل به فيمثل المحور. يوضح الرسم التوضيحي كيف يتحرك ذراع القوة على العجلة الكبيرة وذراع المقاومة على المحور الصغير لتسهيل التوجيه.

صفحة ١٤٣

البكرة عجلة محيطها غائر يلف حوله حبل أو سلك وتعمل مثل الرافعة بنقطة ارتكاز. يعمل المحور عمل الرافعة وذراع القوة هو طول الحبل الذي يتحرك عند بذل القوة المبذولة، وأما ذراع المقاومة فهو مقدار الارتفاع الذي يرتفع إليه الجسم. في الرافعة أو الونش بالصورة، يعادل ذراع القوة لهذه البكرة المتحركة ضعف ذراع المقاومة، ولذا فإن القوة الناتجة تساوي ضعف القوة المبذولة لتضاعف المسافة والقوة معاً.

صفحة ١٤٤

السطح المائل آلة بسيطة تساعد على رفع الأجسام ببذل قوة أصغر لمسافة أكبر مقارنة برفعه عمودياً. كلما قل طول السطح المائل كان رفع الجسم أسرع والجهد المبذول أكبر. انظر إلى الصورة في الأعلى لطريق جبلية ملتوية تسهل الصعود بدلاً من الدرج الحاد، وانظر إلى الرسم السفلي لشخص يدفع صندوقاً على سطح مائل لترى كيف يتوزع ذراع القوة وذراع المقاومة والقوة الناتجة.

الفكرة الأساسية

الآلات البسيطة أدوات تسهل إنجاز الشغل عبر تغيير مقدار القوة أو اتجاهها أو مسافتها، وتنقسم إلى أنواع مثل الروافع والعجلة والمحور والبكرة والسطح المائل.

الشرح

عندما تبذل قوة لتنفيذ عمل، فإنك تستخدم قوة تسمى الجهد أو القوة المبذولة، بينما تنتج الآلة قوة أخرى تسمى المقاومة أو القوة الناتجة. تحتوي الآلة على ذراع القوة وذراع المقاومة ونقطة ارتكاز. وكلما قصر ذراع المقاومة وزاد ذراع القوة كانت القوة المؤثرة في الجسم أكبر. تقسم الروافع إلى ثلاثة أنواع بناء على موقع نقطة الارتكاز والقوة المبذولة والقوة الناتجة. أما العجلة والمحور فتتكون من عجلة تدور حول قضيب أو عصا في مركزها لتعمل عمل رافعة. والبكرة عجلة محيطها غائر يلف حولها حبل أو سلك. والسطح المائل سطح يرتفع أحد طرفيه ليكون أعلى من الطرف الآخر ليسهل رفع الأجسام الثقيلة بمسافة أطول وقوة أقل.

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا كان لديك صندوق ثقيل تريد رفعه إلى ارتفاع معين، فبدلا من رفعه عموديا بقوة كبيرة جدا لمسافة قصيرة، تستخدم سطحا مائلا. تدفع الصندوق على السطح المائل لمسافة أطول مستخدما قوة مبذولة أصغر. الشغل الناتج يساوي القوة مضروبة في المسافة.

أخطاء شائعة

الظن بأن الآلة البسيطة تقلل مقدار الشغل الإجمالي المبذول، والصحيح أنها تسهل الشغل بتغيير مقدار القوة أو اتجاهها أو مسافتها لكن الشغل الكلي يبقى نفسه. الخلط بين ذراع القوة وذراع المقاومة في أنواع الروافع الثلاثة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

سؤال 1: ماذا يسمى الجزء الذي يقع عليه الجهد في الآلة البسيطة؟ إجابة 1: ذراع القوة. سؤال 2: في أي نوع من الروافع تكون نقطة الارتكاز واقعة بين القوة المبذولة والقوة الناتجة؟ إجابة 2: النوع الأول من الروافع.