ما هي الفائدة الميكانيكية؟
تقيس الفائدة الميكانيكية مقدار ما تضاعفه الآلة البسيطة — كالرافعة أو البكرة أو الترس أو المستوى المائل أو العجلة والمحور — من القوة التي تبذلها. وهي النسبة بين القوة الخارجة (أي الحمل الذي يُحرَّك) والقوة الداخلة (أي الجهد الذي تبذله). فإذا كانت الفائدة أكبر من 1 فهذا يعني أن الآلة تضاعف قوتك، أما إذا كانت أقل من 1 فهي تبادل القوة بالسرعة أو المسافة.
كيفية استخدام الحاسبة
أدخِل القوة الخارجة (الحمل الذي تحركه الآلة، بالنيوتن) ثم القوة الداخلة (الجهد الذي تبذله). تقوم الحاسبة بقسمة القوة الخارجة على الداخلة لتعطيك الفائدة الميكانيكية كنسبة مجردة بلا وحدات. واحرص على استخدام الوحدة نفسها للقوتين، إذ تُختزل الوحدات وتُلغى بعضها بعضًا.
شرح المعادلة
المعادلة الأساسية هي:
$$\text{الفائدة} = \frac{\text{ق}_{\text{الخارجة}}}{\text{ق}_{\text{الداخلة}}}$$
ونظرًا لمبدأ حفظ الشغل في الآلة المثالية (الخالية من الاحتكاك)، فإن هذه النسبة تساوي أيضًا نسبة المسافات: الفائدة = فالداخلة ÷ فالخارجة. فالآلة التي تتيح لك بذل قوة صغيرة عبر مسافة طويلة قادرة على تحريك حمل كبير عبر مسافة قصيرة.
مثال محلول
لنفترض أن رافعة تتيح لك رفع حمل مقداره 200 نيوتن بينما تضغط لأسفل بجهد لا يتجاوز 50 نيوتن. عندئذٍ تكون الفائدة $$\text{الفائدة} = 200 \div 50 = 4$$ أي إن الرافعة تضاعف قوتك أربع مرات، لكن عليك في المقابل أن تحرّك طرفك مسافة تبلغ أربعة أضعاف ارتفاع الحمل.
الأسئلة الشائعة
هل تكون الفائدة الميكانيكية دائمًا أكبر من 1؟ لا. فبعض الأدوات مثل الملقط أو صنارة الصيد تكون فائدتها أقل من 1، إذ تضحّي بالقوة مقابل اكتساب السرعة أو اتساع نطاق الحركة.
ما الفرق بين الفائدة المثالية والفائدة الفعلية؟ تفترض الفائدة المثالية انعدام الاحتكاك وتُحسب من المسافات، بينما تعتمد الفائدة الفعلية على القوى المقاسة فعليًا، وتكون دائمًا أقل لأن جزءًا من الجهد يُهدر في الاحتكاك.
هل للفائدة الميكانيكية وحدات؟ لا، فهي نسبة مجردة لأن القوتين (أو المسافتين) تشتركان في الوحدة نفسها التي تُختزل.
