JJجون

در سال 1912 ميلادي دانشمند آلماني بنام وگنر اظهار داشت كه حدود 200 ميليون سال پيش تمام خشكي ها به هم متصل و يك تكه بوده اند اين خشكي رفته رفته به دو قسمت تقسيم شده و پس از آن هر قسمت نيز قطعه قطعه شده و قاره هاي امروزي را بوجود آمده اند سپس وگنر نظريه زمين ساخت ورقه اي را مطرح كرد.

نظريه زمين ساخت ورقه اي:
بر اساس اين نظريه سنگ كره زمين يك تكه نيست بلكه از تعدادي ورقه هاي بزرگ و كوچك تشكيل شده است.

نكته: بعضي از ورقه ها در زير قاره ها و بعضي ديگر در زير اقيانوس ها و برخي هر دو را در بر مي گيرد.

 

نكته: به هر يك از ورقه هاي سنگ كره يك پليت مي گويند نمونه اي از حركت پليت ها در سطح زمين.

بر اثر حركت پليت ها در حاضيه ورقه ها زلزله ايجاد مي شود.

زلزله
حركت ناگهاني قسمتي از زمين را زلزله گويند كه اين حركت موجب تخريب ساخمان ها و رانش زمين     مي شود و گاهي خسارت جاني و مالي زيادي را به بار مي آورد.

ريشتر
واحد شدت زلزله است كه دانشمند آمريكايي به نام چالز فوانسيس ريشتر اولين بار شيوه اندازه گيري شدت زلزله را پيشنهاد داد او شدت زلزله را 1 تا 12 ريشتر بيان كرد.

نكته انرژي زمين لرزه اي كه شدت آن يك ريشتر است برابر انرژي حاصل از انفجار 170 گرم تي ان تي (TNT) است. به ازاي افزايش هر درجه ريشتر شدت زمين لرزه 31 برابر عدد قبلي است.

سؤال: چه عاملي در زير سنگ كره موجب شكل پذيري و خمير مانند بودن نرم كره مي شود؟
جواب: دما و فشار بسيار زياد در زير سنگ كره

سؤال: چگونه قسمت خميري گوشته ممكن است جا به جا شود؟
جواب: چون قسمت زيرين دما بيشتر از قسمت بالايي بخش خميري شكل است اين اختلاف دما باعث تغيير چگالي مواد شده و سبب جابه جايي ماده خميري شكل مي شود.

سؤال: چه موقع ورقه هاي سنگ كره جا به جا مي شوند؟
جواب: وقتي مواد نرم كره به آرامي بالا بيايند و به طرفين كشيده شوند ورقه ها روي هم مي خزند.

حركت ورقه ها در مجاورهم به سه صورت ممكن است باشد.

1- دو ورقه از هم دور مي شوند.

2- دو ورقه به هم برخورد كرده و نزديك مي شوند.

3- دو ورقه در كنار هم مي لغزند.

پديده هاي حاصل از حركت ورقه ها:
1- ورقه هاي دور شونده:

بيش تر محل ورقه هاي دور شونده در ميان اقيانوس ها قرار دارند در اين مناطق مواد مذاب از بين دو ورقه خارج شده و بين دو ورقه سخت مي شود و پوسته جديد حاصل مي گردد.

به همين دليل هر ساله چندين سانتي متر بر وسعت اقيانوس ها افزوده مي شود.

2- ورقه ها هاي نزديك شونده:
چون ورقه هاي نزديك شونده خصوصيات فيزيكي و شيميايي مختلفي دارند پديده هاي حاصل به يكي از صورت هاي زير مي باشد.
الف: برخورد ورقه اقيانوسي با قاره اي:
چون ورقه هاي اقيانوسي نسبت به ورقه هاي قاره اي سنگين تر مي باشند به زير ورقه هاي قاره اي كشيده مي شوند و باعث ايجاد گودال اقيانوسي- كوه هاي آتش فشان و زلزله مي شوند.

ب: برخورد دو ورقه اقيانوسي:
يك ورقه به زير ورقه ديگر فرو مي رود و با خم شدن لبه ورقه ها گودال عميق اقيانوسي ايجاد مي شود. ورقه فرو رونده ذوب شده و مواد مذاب از بستر دريا خارج مي گردند و بر اثر آتش فشان جزايري سر از آب بيرون آورده و جزاير قوسي توليد مي گردند.

ج: برخورد دو ورقه قاره اي
هيچ كدام از ورقه ها زير ديگري فرو نمي رود چون جرم هر دو مساوي است بر اثر چنين برخوردي كوه و زلزله شديد ايجاد مي شود.

وقتي به جسم ساکن نيرو وارد شود, ممکن است جسم در جهتي که نيرو بر آن وارد مي شود به حرکت درآيد. در اين صورت مي گوييم نيرو روي جسم کار انجام داده است.

کاروقتي انجام مي شود که نيروي نقطه اثر خود را جابه جا کند.

توجه: هر چه نيرو يا جابه جايي بزرگتر باشد, کار انجام شده بيش تر است.

در اين گونه مثال ها نيرو و جابه جايي در يک جهت هستند, بنابر اين مقدار کار از رابطه ي زير به دست   مي آيد.

جابه جايي × نيرو = کار

W=F.d

گاهي ممکن است نيروي وارد شده و جابه جايي در يک راستا نباشند. در اين صورت مولفه اي از نيرو کار انجام مي دهد که در راستاي جابه جايي باشد.

در شكل مقابل فرد به وسيله طنابي كه با سطح افق زاويه Θ (تتا) مي سازد جسم را روي سطح افقي مي كشد.

در اين شکل نيروي F نيروي فرد و Θ زاويه بين نيروي F نسبت به راستاي جابه جايي است.

دراين صورت نيروي F به دو نيروي FsinΘا (F سينوس تتا) و FcosΘ (اF كسينوس تتا) تجزيه مي شود.

مولفهFcos Θ ا  مولفه نيرو در راستاي جابه جايي است. در اين حالت مقدار کار برابر است با:

W= F cosΘ . d

با توجه به مطالب بالا, کار را مي توان از رابطه کلي زير به دست آورد:

W= F . d . cosΘ

در اين رابطه زاويه بين راستاي نيور و جابه جايي (Θ) بر حسب درجه، نيرو (F) بر حسب نيوتن (N)، جابه جايي (d) بر حسب متر (m) بر حسب نيوتن متر يا ژول (j) است.

در جدول زير مقدار سينوس و کسينوس چند زاويه که کاربرد بيش تري دارند آورده شده است.

180	90	60	45	30	0	زاويه (بر حسب درجه)ا
0	1				0	Sin
-1	0				1	Cos

توجه: فقط در هنگام به حرکت در آوردن اجسام ساکن کار انجام نمي شود. بلکه اگر نيرويي بر يک جسم متحرک نيز وارد شود ممکن است سرعت يا جهت حرکت جسم, در جهت وارد شدن نيرو, تغيير کند. در چنين حالتي هم کار انجام مي شود.

در موارد زير کار انجام نمي شود:

1) بر يک جسم نيرو وارد شود ولي جسم حرکت نکند

2) اگر جسمي در حال حرکت باشد ولي به آن نيرويي وارد نشود.

مثال: فضا پيماها در فضاهاي دور دست بدون آنکه هيچ نيرويي جلو حرکت آن ها را بگيرد. بدون هيچ اصطکاکي در فضاي بي کران در حال حرکت هستند. در چنين حالتي, چون هيچ نيرويي سبب کند شدن حرکت جسم نمي شود. جسم هم چنان با سرعتي ثابت در جهتي معين به حرکت خود ادامه مي دهد در اين حالت اگر چه جسم در حال حرکت است اما کاري انجام نمي شود.

3) گاهي نيرويي بر يک جسم وارد مي شود اما جسم در جهت وارد شدن نيرو حرکت نمي کند در اين صورت اگر نيرو بر راستاي جا به جايي عمود باشد (Cos90=0) نيروي وارد شده کار انجام نمي دهد.

به طور مثال: فردي جعبه اي را در دست دارد و آن را در جهت افقي حرکت مي دهد. در اين حالت فرد دو نيرو وارد مي کند.

1- F_۱ : نيرويي برابر نيروي وزن جسم اما در جهت بالا به منظور نگه داشتن جسم و جلوگيري از افتادن آن بر روي زمين به جسم وارد مي شود اين نيرو کاري انجام نمي دهد, چون در جهت وارد شدن آن, جسم جابه جا نمي شود.

2- F_۲ :  نيرويي به صورت افقي به منظور به حرکت در آوردن جسم به طرف جلو اين نيرو چون در راستاي جابه جايي است پس کار انجام مي دهد.

مثال 1: شخصي روي دسته يک جاروبرقي نيروي 25 نيوتن در امتدادي که با افق زاويه 60 درجه مي سازد, وارد مي کند و آن را در سطح افقي 10 متر جا به جا مي کند. کار نيروي F چقدر است؟

مثال 2 : جسمي به جرم ۵ kg را به اندازه ۵۰Cm از سطح زمين بالا مي بريم.

کار نيروي وزن چقدر است ؟

d= ۵۰ cm= ۰/۵ m

W= mg= ۵×۱۰=۵۰ N وزن جسم

W= F . d . cosΘ         W= ۵۰×۰/۵×(-۱) = -۲۵ j

نکته: هرگاه نيرو و جابه جايي هم راستا و در خلاف جهت باشند ( ) کار انجام شده منفي است.

W = -F . d

کار و انرژي:

انرژي و کار کاملا به هم مربوطند, به طوريکه مي توان گفت: هرگاه کاري انجام شود ممکن است حالت هاي زير براي انرژي پيش آيد:

1)هنگام انجام کار, انرژي از صورت يا نوعي به صورت يا نوع ديگر تبديل مي شود.

2) هنگام انجام کار, انرژي از يک جسم به جسم ديگر انتقال يابد.

انرژي:

توانايي انجام کار است.

نکته: انرژي و کار ارتباط بسيار نزديکي به يکديگر دارند. به طوريکه مي توان گفت هرگاه کاري انجام مي شود. حتما انجام کار با تبديل انرژي همراه است و يا انرژي از جسمي به جسم ديگر انتقال يافته است. هم چنين, هرگاه جسمي داراي انرژي باشد مي توان در صورت ايجاد شرايط مناسب به کمک آن انرژي جسمي را به حرکت درآورد.

توان

سرعت انجام کار يا سرعت مصرف انرژي است.

به عبارت ديگر, توان نشان دهنده ي ميزان کار انجام شده يا انرژي مصرف شده در واحد زمان است.

مقدار توان به دو عامل بستگي دارد:

1- مقدار کار انجام شده (يا مقدار انرژي مصرف شده)

در يک زمان مشخص, هر چه مقدار کار انجام شده بيش تر باشد, مقدار توان بيش تر است. يعني توان با مقدار کار انجام شده رابطه ي مستقيم دارد.

2-مدت زمان انجام کار:

توان با مدت زمان انجام کار رابطه عکس دارد. يعني هر چه مدت زمان مصرف شده براي انجام کاري کم تر باشد. توان بيش تر است.

سرعت انجام کار به وسيله دونده اي که مسابقه را زودتر طي کند, بيش تر است. به عبارت ديگر توان اين دونده از دونده ي ديگر بيش تر است.

براي محاسبه توان از رابطه ي زير استفاده مي کنيم:

در اين معادله مقدار کار انجام شده (w) بر حسب ژول (Jj) و مقدار زمان انجام کار (t) برحسب ثانيه (S) و توان (P) برحسب وات (W) است.

نکته 1: يک وات توان ماشيني است که در مدت يک ثانيه, يک ژول کار انجام مي دهد.

نکته 2: هر کيلو وات برابر هزار وات است 1000w=ا1kw

نكته 3: هر قوه ي اسب بخار برابر 746 وات است. 1hp=746W

معادله هاي ديگري نيز براي محاسبه توان وجود دارد؛ که از معادله اصلي به دست مي آيد.

مي دانيم که سرعت مقدار مسافت طي شده در واحد زمان است

نکته: وقتي مي گوييم توان يک لامپ برقي 100 وات است يعني در هر ثانيه 100 ژول انرژي الکتريکي توسط لامپ مصرف شده و مطابق قانون پا بستگي انرژي 100 ژول انرژي تابشي (نور) و گرمايي به وسيله آن توليد مي شود.

مثال: ماشيني در مدت 3 دقيقه باري به وزن 1800 نيوتن را تا ارتفاع 20 متري انتقال مي دهد. توان ماشين چند کيلووات است؟

F = ۱۸۰۰ N

d = ۲۰ m

t = ۳ min = ۱۸۰ s

P = ?

براي تبديل وات به کيلو وات عدد مورد نظر را بر 1000 تقسيم مي کنيم.پس

ماشين

هر اسبابي که به طريقي سبب آسان شدن کار گردد ماشين ناميده مي شود.

ماشين ها به صورت هاي گوناگون در انجام کارها به ما کمک مي کنند.

1) ماشين ها گاهي باعث تغيير محل وارد شدن نيرو به جسم و گاهي نيز باعث تغيير جهت نيرو           مي شوند.

قرقره ي بالاي پرچم, دوچرخه, قيچي همه از راه تغيير جهت نيرو به ما کمک مي کنند.

2) ماشين ها گاهي با افزايش مقدار نيرو به ما کمک مي کنند. (مانند ديلم, انبردست, در قوطي بازکن)

3)گاهي ماشين ها با افزايش مسافت اثر نيرو بر جسم و افزايش سرعت انجام کار ماشين ها به ما کمک مي کنند. (جارو فراشي, انبر, موچين, يخ گيرو...)

يک ماشين مي تواند در يک زمان هم افزايش نيرو و هم تغيير جهت نيرو داشته باشد مانند جک اتومبيل و يا در يک زمان هم جهت نيرو را عوض کند و هم مسافت اثر نيرو را زياد کند مانند دوچرخه ولي هرگز نمي تواند در يک زمان هم مقدار نيرو و هم مسافت اثر نيرو را افزايش دهد, زيرا در اين صورت کارگرفته شده از ماشين بيش تر از کارداده شده به آن خواهد بود که البته چنين چيزي غيرممکن است.

کارداده شده و کارگرفته شده از ماشين

براي آنکه يک ماشين کار انجام دهد, بايد نخست بر روي آن کار انجام دهيم, نيرويي که به اين منظور به ماشين وارد مي شود, نيروي محرک و کار اين نيرو را کار نيروي محرک (کار داده شده) مي نامند.

براي اندازه گيري اين کار, کافي است نيرويي که به ماشين وارد مي شود در طولي که طي مي کند ضرب شود.

جابه جايي نيروي محرک×نيروي محرک=کار نيروي محرک (کار داده شده)

W_E = E . d_E

نيرويي را که ماشين بايد بر آن غلبه کند, نيروي مقاوم و کار اين نيرو, کار نيروي مقاوم (کار مفيد) ناميده مي شود براي محاسبه کار مفيد, نيروي مقاومي که بر آن غلبه شده است در جابه جايي آن ضرب مي کنيم.

جابه جايي نيروي مقاوم×نيروي مقاوم=کار نيروي مقاوم(کار مفيد)

W_R = R . d_R

معمولا کار غيرمفيد ماشين را نمي توان به طور مستقيم اندازه گرفت و براي تعيين آن کار مفيدي را که از ماشين گرفته ايم از کاري که به ماشين داده ايم, کم مي کنيم.

کارمفيد-کار داده شده=کار غير مفيد

براي مطالعه ماشين آن ها را به دو دسته تقسيم مي کنند.

1- ماشين هاي کامل (ايده آل):

اين نوع ماشين, ماشين خيالي است که همه کار داده شده را به صورت مطلوب ما صرف غلبه بر نيروي مقاوم مي کند. در چنين ماشيني اتلاف انرژي وجود ندارد و کار نيروي محرک با کار نيروي مقاوم برابر است.

2-ماشين هاي واقعي

ماشين هايي هستند که در عمل با آن ها سر و کار داريم .

در همه ماشين ها, بخشي از کار نيروي محرک صرف غلبه بر نيروهاي مقاوم ناخواسته (اغلب اصطکاک) مي شودو در نتيجه کار نيروي مقاوم همواره کمتر از نيروي محرک است.

توجه: در ماشين هاي واقعي نيز هميشه کاري که به ماشين داده مي شود با کل کاري که از ماشين گرفته مي شود برابر است. اما تمام کار گرفته شده از ماشين به صورت مطلوب نيست.

کارگرفته شده = کار داده شده

کارغير مفيد+کار مفيد= کار داده شده

مطابق قانون پابستگي انرژي, انرژي هنگام تبديل شدن از يک صورت به صورت ديگر و يا انتقال از يک جسم به جسم ديگر خلق و نابود نمي شود.

بنابراين مقدار انرژي داده شده به يک ماشين نيز همواره با مقدار انرژيي که از ماشين گرفته مي شود برابر است.

مزيت مکانيکي

مزيت مکانيکي نشان مي دهد که ماشين, نيروي وارده را چند برابر مي کند.

براي بررسي طرز کار ماشين ها از دو نوع مزيت مکانيکي استفاده مي شود.

1) مزيت مکانيکي ايده آل:

نسب را مزيت مکانيکي ايده آل (کامل) مي گويند.

كامل

2) مزيت واقعي (عملي):

نسب را مزيت مکانيکي واقعي مي گويند.

واقعي

عددي که معرف سرعت حرکت نقطه اثر نيروي محرک به سرعت حرکت نقطه اثر نيروي مقاوم است را ضريب سرعت ها (نسبت سرعت ها) مي نامند. ضريب سرعت برابر است با:

نکته: مزيت مکانيکي کميتي نسبي بوده و بدون واحد بيان مي شود.

انرژي گرفته شده از ماشين= انرژِِي داده شده به ماشين

انرژي تلف شده + انرژي (يا کار) مفيد گرفته شده از ماشين=کل انرژي داده شده به ماشين

در هر وسيله مي توان نسبت کار مفيد به کل انرژي داده شده به دستگاه را به عنوان يک عامل مهم در کيفيت آن وسيله در نظر گرفت.

اين نسبت بازده نام دارد:

نکته: در يک ماشين واقعي چون کار خروجي از کار يا انرژي ورودي کمتر است, بازده ماشين هميشه کوچکتر از يک است.

بازده را مي توان از راه هاي ديگر نيز به دست آورد:

مثال: توان يک ماشين ساده 200 وات و بازده آن 8/0 است, چند ثانيه طول مي کشد تا باري به وزن 400 نيوتن را با اين ماشين 10 متر بالا ببريم؟

مزيت مکانيکي نشان مي دهد ماشين چگونه به ما کمک مي کند.

اگر مزيت مکانيکي بزرگتر از يک باشد, ماشين مقدار نيرو را افزايش مي دهد.

اگر مزيت مکانيکي کوچکتر از يک باشد, ماشين مسافت اثر نيرو را زياد مي کند.

اگر مزيت مکانيکي برابر يک باشد, ماشين فقط از راه تغيير جهت نيرو به ما کمک مي کند.

مثال: در يک ماشين, با وارد کردن نيروي 30 نيوتني مي توان يک وزنه 600 نيوتني را بلند کرد. مزيت مکانيکي واقعي چقدر است و ماشين از چه راهي به ما کمک مي کند.

انواع ماشين ها

1- ماشين هاي ساده:

گروهي از ماشين ها که پايه و اساس ساخت ماشين هاي ديگر را تشکيل مي دهند, ماشين ساده ناميده مي شوند. ماشين هاي ساده در شش نوع اهرم, قرقره, چرخ محور, سطح شيب دار گوه و پيچ دسته بندي مي شوند.

2- ماشين هاي مرکب يا پيچيده

گاهي دو يا چند ماشين ساده با هم ترکيب مي شوند و ماشين جديدي را به وجود مي آورند به چنين ماشين هايي, ماشين هاي مرکب يا پيچيده مي گويند.

اين ماشين ها تغيير شکل يافته ي ماشين ساده يا ترکيبي از چند ماشين ساده با يک ديگر هستند.

انواع ماشين هاي ساده:

1. اهرم :

اهرم ميله اي است که مي تواند حول يک تکيه گاه دوران کند.

در هر اهرم يک تکيه گاه, يک بازوي محرک و يک بازوي مقاوم وجود دارد.

 بازوي محرک (L_E): در يک اهرم فاصله ي نقطه اثر نيروي محرک تا تکيه گاه را بازوي محرک مي گويند.

بازوي مقاوم(L_R): در يک اهرم فاصله ي نقطه اثر نيروي مقاوم تا تکيه گاه را بازوي مقاوم مي گويند.

تکيه گاه(F): نقطه اي است که اهرم حول آن دوران مي کند.

اهرم بر اساس قرار گرفتن محل تکيه گاه, نيروي محرک و نيروي مقاوم به چند نوع تقسيم مي شوند:

الف) اهرم نوع اول

در صورتيکه تکيه گاه بين نقطه اثر نيروي مقاوم و نيروي محرک باشد, اهرم از نوع اول است.

اهرم نوع اول به سه حالت ديده مي شود:

a) حالت اول :

زمانيکه تکيه گاه درست در وسط نيروي محرک و نيروي مقاوم قرار گرفته باشد, در اين صورت بازوي محرک و بازوي مقاوم با هم برابرند.

در اين حالت, اهرم فقط از راه تغيير جهت نيرو به ما کمک مي کند.

نکته: مزيت مکانيکي اين اهرم هميشه يک است.

b) حالت دوم :

زمانيکه تکيه گاه بين نيروي محرک و نيروي مقاوم ولي نزديک به نيروي مقاوم باشد, در اين حالت, اهرم از راه هاي زير به ما کمک مي کند.

1)تغيير جهت نيرو: زيرا تکيه گاه بين نيروي محرک و مقاوم قرار دارد.

2) افزايش نيرو: زيرا بازوي محرک بزرگتر از بازوي مقاوم است. (L_R>L_E)

نکته: مزيت مکانيکي اين اهرم همواره از يک بيش تر است.

c) حالت سوم :

زمانيکه تکيه گاه بين نيروي محرک و نيروي مقاوم بوده ولي نزديک به نيروي محرک باشد, در اين حالت اهرم از راه هاي زير به ما کمک مي کند.

1)تغيير جهت نيرو: زيرا تکيه گاه بين نيروي محرک و مقاوم قرار است.

2) افزايش مسافت اثر نيرو: زيرا بازوي مقاوم بزرگتر از بازوي محرک است. (L_R >L_E)

نکته: مزيت مکانيکي اين اهرم همواره از يک کم تر است.

ب) اهرم نوع دوم

در اين نوع اهرم نيروي مقاوم بين تکيه گاه و نيروي محرک قرار دارد.(مانند فندق شکن – فرغون) اين نوع اهرم فقط از راه افزايش نيرو به ما کمک مي کند. زيرا در اين اهرم همواره بازوي محرک بزرگتر از بازوي مقاوم است.

مزيت مکانيکي اين اهرم هميشه از يک بيشتر است.

نکته: در اين نوع اهرم, هر چه نيروي مقاوم به تکيه گاه نزديک تر باشد, مزيت مکانيکي بيش تر مي شود.

ج) اهرم نوع سوم

در اين نوع اهرم نيروي محرک بين تکيه گاه و نيروي مقاوم قرار دارد. مانند (جاروي فراشي) اين نوع اهرم, فقط از راه افزايش مسافت اثر نيرو به ما کمک مي کند. زيرا بازوي مقاوم بزرگتر از بازوي محرک است.

مزيت مکانيکي اين اهرم هميشه کمتر است.

قانون اهرم ها

چنانچه اهرم در حال تعادل باشد, فرمول زير صادق است:

بازوي مقاوم×نيروي مقاوم=بازوي محرک×نيروي محرک

E.L_E=R.L_R

نکته: در صورتيکه از اصطکاک صرف نظر کنيم, مزيت مکانيکي اهرم را مي توان از رابطه ي زير نيز به دست آورد.

2. قرقره:

چرخي شياردار است که حول يک محور مي چرخد.

قرقره ثابت:

مزيت مکانيکي اين قرقره همواره برابر يک است و از راه تغيير جهت نيرو به ما کمک مي کند.

توجه: اين قرقره نظير اهرم نوع اول حالت اول است.

قرقره متحرک:

اين قرقره آزادانه بر روي ريسمان (طناب) جا به جا مي شود.

اين قرقره از راه افزايش نيرو به ما کمک مي کند.

مزيت مکانيکي کامل اين قرقره برابر 2 است. زيرا بازوي محرک (قطر چرخ) همواره دو برابر بازوي مقاوم (شعاع چرخ) است.

نکته: قرقره متحرک مانند اهرم نوع دوم است, با اين تفاوت که مزيت مکانيکي اهرم (با تغيير دادن محل نيروي مقاوم) قابل تغيير است در حاليکه مزيت مکانيکي اين قرقره تغيير نمي کند.(A=2)

دستگاه قرقره مرکب:

براي آنکه به مزيت هاي مکانيکي بالاتري دست يافت مي توان دو يا چند قرقره ثابت و متحرک را با هم ترکيب کرد و يک قرقره مرکب به وجود آورد. در اين حالت قرقره ها را به شکل هاي مختلفي با يکديگر ترکيب مي کنيم.

الف) در يک روش, براي بستن تمام قرقره ها فقط از يک رشته نخ استفاده مي شود.

در اين حالت براي به دست آوردن مزيت مکانيکي کامل دستگاه به دو صورت عمل مي کنيم:

1- تعداد نخ هاي متصل به قرقره متحرک را مي شمريم.

2- نيروي کشش نخ (T) را مشخص کرده و مزيت مکانيکي کامل را به دست مي آوريم.

ب) قرقره هاي ارشميدس:

براي اتصال اين قرقره ها به يکديگر از چند رشته نخ استفاده مي شود.

براي بدست آوردن مزيت مکانيکي کامل اين دستگاه از دو راه استفاده مي شود:

الف) نيروي کشش نخ (T) را مشخص مي کنيم.

توجه: وجود قرقره ثابت در مزيت مکانيکي کامل دستگاه هيچ تاثيري ندارد ولي چون کشيدن ريسمان به سمت پايين آسانتر از کشيدن به سمت بالاست گاهي براي آسانتر شدن کار از قرقره ثابت استفاده مي شود.

2- براي به دست آوردن مزيت مکانيکي اين قرقره ها را مي توان از فرمول نيز استفاده کرد.

(n= تعداد قرقره متحرک است.)

مثال: در دستگاه بالا از دو قرقره متحرک استفاده شده است پس

ج) ممکن است قرقره به صورت زير به يکديگر وصل شده باشند, در اين صورت براي به دست آوردن مزيت مکانيکي کامل.

1) از راه کشش نخ استفاده مي کنيم.

2) از فرمول زير به دست آوريم(A=2^n-1)

(n= تعداد قرقره هاي ثابت و متحرک است.)

 مثال: در دستگاه بالا از 3 قرقره استفاده کرديم:

تذکر: قرقره ها را به شکل هاي گوناگون مي توان با هم ترکيب کرد. در هر مورد براي به دست آوردن مزيت مکانيکي کامل مي توان از نيروي کشش نخ استفاده کنيم.

3- چرخ محور:

چرخ و محور چرخي است که به مرکز آن يک ميله وصل شده است. با چرخاندن چرخ, ميله نيز مي چرخد.

فرمان اتومبيل-آچار پيچ گوشتي- کليد درب-مداد تراش روميزي-چرخ چاه-چرخ گوشت دستي نمونه هايي از ماشين چرخ و محور هستند.

F60

نکته1: در چرخ و محور اگر نيروي محرک را به چرخ و نيروي مقاوم را به محور وارد کنند در اين حالت چرخ و محور از طريق افزايش نيرو به ما کمک مي کند..

زيرا بازوي محرک (شعاع چرخ=r_E) از بازوي مقاوم (شعاع محور=r_R) بزرگتر خواهد شد و مزيت مکانيکي آن از يک بيش تر خواهد شد.

در چرخ و محور بين شعاع (قطر) چرخ و شعاع (قطر) محور و نيروهايي که به چرخ و محور وارد مي شود. رابطه ي زير برقرار است. (در صورت صرف نظر از اصطکاک)

توجه: چون چرخ و محور به هم چسبيده اند تعداد دورهايي که چرخ و محور در يک مدت مي چرخند بايد مساوي باشند. اگر چرخ يک دور بچرخد نقطه اثر نيروي محرک به اندازه محيط چرخ (r_Eا2R) جابه جا        مي شود ونقطه اثر نيروي مقاوم به اندازه محيط محور (r_Rתا2) جابه جا خواهد شد.

نکته 2: در چرخ و محور اگر نيروي مقاوم به چرخ و نيروي محرک به محور وارد شود, چرخ و محور از طريق افزايش مسافت اثر نيرو کمک مي کند زيرا بازوي مقاوم (r_R) از بازوي محرک (r_E) بزرگتر خواهد شد و مزيت مکانيکي آن از يک کم تر خواهد شد.

نكته3: تغيير جهت نيرو در اين ماشين بستگي به نحوه بستن ريسمان ها به چرخ و محور دارد.

چرخ و محور نيز نوعي اهرم است. با اين تفاوت که :

1) چرخ و محور نه در دامنه ي حرکت محدوديت دارد و نه در مزيت مکانيکي

2) اهرم پس از مدتي چرخش به دور تکيه گاه متوقف مي شود ولي در چرخ و محور خير.

4- سطح شيب دار

هر سطحي که با سطح افق زاويه اي کوچکتر از 90 درجه بسازد, سطح شيب دار است.

به وسيله سطح شيب دار مي توانيم يک جسم سنگين را با وارد کردن نيرويي کوچک تر از وزن آن, به داخل کاميون منتقل مي کنيم.

در اين صورت به کمک يک نيروي کم اما در مسافتي طولاني, جسمي را به سمت بالا حرکت مي دهيم.

اگر بخواهيم جسمي را در راستاي قائم بلند کنيم بايد نيرويي برابر وزن جسم (mg) به آن وارد کنيم ولي با استفاده از سطح شيب دار و با چشم پوشي از اصطکاک نيرويي کم تر از نيروي وزن (mgsinΘ) لازم است تا جسم را از سطح زمين بالا برد.

نکته: هر چه زاويه سطح شيب دار کوچک تر باشد نيروي کم تري براي بالابردن جسم لازم است در نتيجه طول سطح شيب دار نسبت به ارتفاع آن بيش تر خواهد شد.

 نکته1: در سطح شيب دار, طول سطح (L) جابه جايي نيروي محرک (d_E) و ارتفاع سطح (h) جابه جايي نيروي مقاوم (d_R) خواهد بود. هرگاه نيروي محرک به اندازه طول سطح شيب دار (L) جابه جا شود, نيروي مقاوم به اندازه ارتفاع سطح شيب دار (h) جابه جا خواهد شد.

d_E = L    ,     d_R = h

نکته2: براي آنکه بخواهيم سينوس يک زاويه را به دست آوريم از راه زير استفاده مي کنيم.

مزيت مکانيکي کامل سطح شيب دار از رابطه زير به دست مي آيد.

با توجه به رابطه ي h=Lsin Θ داريم:

توجه: چون در عمل هميشه مقداري نيروي اصطکاک وجود دارد. بنابر اين براي بالابردن جسم بر روي سطح شيب دار نيرويي بيش تر از mgsin Θ لازم است و مقدار نيروي محرک واقعي از رابطه ي زير به دست مي آيد.

واقعي E = mgSinΘ + f(نيروي اصطكاك)

گوه:

يک سطح شيب دار متحرک است و معمولا از دو سطح شيب دار ساخته شده است. نوک تبر, قيچي, چاقو و هر وسيله تيز و برنده گوه است. يکي از کاربردهاي گوه شکاف دادن تنه درختان است.

وقتي با پتک به گوه نيرو وارد مي شود, گوه به جلو رانده مي شود در نتيجه از طريق سطوح جانبي گوه, نيروي بزرگتري به هر طرف شکاف وارد مي شود.

نکته1: طول گوه جابه جايي نيروي محرک و ضخامت گوه, جابه جايي نيروي مقاوم است.

نکته2: طول گوه را با L ضخامت گوه را با t نشان مي دهند.

d_E = L  ,  d_R = t

مزيت مکانيکي کامل گوه:

نکته: هر چه طول گوه نسبت به ضخامت گوه بيش تر باشد, يعني گوه نازک تر باشد, مزيت مکانيکي کامل آن بيش تر است.

پيچ:

سطح شيب داري است که دور يک ميله پيچيده شده است.

به هر بر آمدگي پيچ يک دنده مي گويند.

فاصله ي دو برآمدگي يا دو فرو رفتگي پيچ را پاي پيچ مي گويند.

پاي پيچ با حرف P نمايش داده مي شود.

هرگاه محيط پيچ يک دور کامل بچرخد پيچ به اندازه فاصله يک دنده تا دنده ديگر (پاي پيچ) جابه جا مي شود.

نکته: محيط پيچ جابه جايي نيروي محرک و پاي پيچ, جابه جايي نيروي مقاوم است.

مزيت مکانيکي کامل پيچ از رابطه زير به دست مي آيد.

نکته: از پيچ هاي استوانه اي براي اتصال قطعات فلزي و از پيچ هاي نوک تيز براي اتصال قطعات چوبي استفاده مي شود.

از ترکيب پيچ و گوه, مته به وجود مي آيد.

چگونه مي توان از ماشين هاي ساده کمک بيش تري گرفت؟

1- با ايجاد تغييراتي در آن ها

2-با ترکيب کردن آن ها

هنگامي که دو يا چند ماشين ساده با هم ترکيب شوند و ماشين جديدي را به وجود آورند, ماشين مرکب يا پيچيده ساخته مي شود.

مثال: از ترکيب گوه و اهرم, قيچي ساخته مي شود.

مزيت مکانيکي ماشين هاي مرکب:

در ماشين هاي مرکب مزيت مکانيکي کل دستگاه را مي توان از حاصل ضرب مزيت مکانيکي ماشين هاي ساده سازنده آن به دست آورد.

ِA=A₁× A₂× A₃×…..کامل

مثال: در شکل زير با صرف نظر از اصطکاک

الف) مزيت مکانيکي کامل دستگاه را محاسبه کنيد.

ب) اگر نيروي محرک 400 نيوتن باشد بر چه نيروي مقاوم مي توان غلبه کرد؟

با چشم پوشي از اصطکاک:

مزيت مکانيکي کامل دستگاه و مزيت مکانيکي واقعي با يکديگر برابر هستند پس 6= A كامل = A واقعي

انسان از زمانهاي دور با پديده هايي مشابه آنچه شما ديديد آشنا بوده است. بررسي اين پديده ها براي درك علت آنها باعث پيشرفت دانش و فناوري بسيار گسترده اي در اين زمينه شده است.

به اين مبحث از دانش، الكتريسيته گفته مي شود. واژه الكتريسيته از نام يوناني «الكترون» به معناي «كهربا» گرفته شده است.

براي بررسي الكتريسيته، ابتدا بايد با كميتي به نام «بار الكتريكي» آشنا شويم.

وقتي ميله اي پلاستيكي را با پارچه پشمي مالش مي دهيم، به علت مالش ميله به پارچه، در ميله تغييري ايجاد مي شود و ميله خاصيت جديدي را پيدا مي كند. از اين رو تكه هاي كوچك كاغذ را جذب  مي كند. در اين صورت مي گوييم ميله داراي بار الكتريكي شده است. در واقع مالش سبب ايجاد بار الكتريكي در اجسام مي شود.

نيرويي كه اجسام داراي بار به يكديگر وارد مي كنند، نيروي الكتريكي مي ناميم.

بررسي و تحليل مشاهدات بالا دو واقعيت مهم را نشان مي دهد.

الف) نيروي الكتريكي موجود بين جسم هايي كه داراي بارالكتريكي هستند، گاهي ربايشي و گاهي رانشي است.

ب) دو نوع بار الكتريكي وجود دارد.

فرانكلين فيزيكدان آمريكايي براي تشخيص بارهاي الكتريكي از يكديگر آن ها را نامگذاري كرد:

او بار الكتريكي روي لاستيك و بادكنك (يا بارهاي مشابه) را بار الكتريكي منفي و بار الكتريكي روي شيشه، پارچه پشمي و (بارهاي مشابه آن) را بار الكتريكي مثبت ناميد.

دو قاعده ي اساسي الكتريسيته درباره نيروهايي كه دو جسم باردار به يكديگر وارد مي كنند.

1- دو جسم كه بار الكتريكي همنام دارند(هر دو منفي، يا هردو مثبت) بر يكديگر نيروي رانشي وارد     مي كنند.

2- دو جسم كه بار الكتريكي غير همنام (يكي منفي و ديگري مثبت) دارند، بر يك ديگر نيروي ربايشي وارد مي كنند.

مي دانيم كه همه مواد از اتم ساخته شده اند، هر اتم از تعدادي پروتون (p) و نوترون (n) كه هسته ي آن را مي سازند و تعدادي الكترون (e) كه به دور هسته در حال چرخش هستند، ساخته شده است.

بار الكتريكي مثبت به پروتون ها و بار الكتريكي منفي به الكترون ها و بار صفر به نوترون ها نسبت داده مي شود.

مقدار بار الكتريكي پروتون و الكترون يكسان است. بار الكتريكي الكترون و پروتون كه كوچكترين بارالكتريكي به شمار مي آيد بار پايه ناميده مي شود و با نماد e نمايش داده مي شود.

يكاي اندازه گيري بارالكتريكي كولن (c) نام دارد و مقدار آن برابر است با:      

e = ۱/۶ x ۱۰^-۱۹ C              

بار الكترون با e- و بار پروتون با e+ نشان داده مي شود.

در يك اتم در حالت عادي پروتون ها هميشه با تعداد الكترون ها برابر است،در نتيجه، چون اتم در حالت عادي داراي دو نوع بار الكتريكي مثبت و منفي به مقدار مساوي است، اتم از نظر بارالكتريكي خنثي است.

اتم چگونه داراي بار الكتريكي مي شود:

الف) اگر از اتم، الكتروني جدا شود، چون تعداد پروتون هاي آن از تعداد الكترونهايش بيش تر مي شود. داراي بار الكتريكي مثبت مي شود.

ب) اگر تعدادي الكترون به يك اتم افزوده شود، چون تعداد الكترونهاي آن از تعداد پروتون هايش بيش تر  مي شود. داراي بارالكتريكي منفي مي شود.

نكته: اگر جسمي بر اثر دادن يا گرفتن الكترون، بار الكتريكي پيدا كند مي توان نوشت: q=n.e

q = بارالكتريكي بر حسب كولن

 n= تعداد الكترونهاي مبادله شده

 e= باريك الكترون

مثال: براي آنكه در جسمي خنثي بار الكتريكي 4/6 ميكروكولن ( ^6-10 × 4/6 كولن ) ايجاد شود، چه تعداد الكترون بايد از آن گرفته شود؟

q = ۶/۴ x ۱۰^-۶ C

e = ۱/۶ x ۱۰^-۱۹ C

n = ?

تعداد الكترونهايي كه بايد از اتم گرفته شود.

توجه: باردار شدن اتم ها فقط از طريق انتقال الكترون انجام مي شود و پروتون ها در اين كار نقشي ندارند، زيرا پروتون ها ذرات سنگيني هستند كه با نيروي بسيار زيادي در هسته ي اتم نگه داشته شده اند و نمي توان آن ها را به راحتي الكترون از اتم جدا كرد.

پايستگي بار الكتريكي:

مي دانيم كه براي بارداركردن يك جسم بايد تعدادي الكترون به آن بدهيم و يا از آن بگيريم. در اين مبادله ي الكترون ها، هيچ گاه الكتروني توليد نمي شود و يا از بين نمي رود بلكه الكترون ها تنها از جسمي به جسم ديگر منتقل مي شوند.

لذا با توجه به اينكه الكترون داراي مقدار معيني بار الكتريكي است، مي توان گفت:

"بار الكتريكي به وجود نمي آيد و از بين نمي رود، بلكه از جسمي به جسم ديگر منتقل مي شود."

 اين اصل "پايستگي بار الكتريكي" ناميده مي شود.

مواد جامد را بر اساس رساناي الكتريكي آن به سه گروه رسانا، نيمه رسانا و نارسانا تقسيم بندي مي كنند.

1- در بعضي از مواد جامد الكترونهاي آخرين لايه هر اتم (الكترونهاي آزاد) مي توانند به آساني با گرفتن اندكي انرژي از اتم خود جدا شده و در داخل ماده جامد آزادانه جابه جا شوند. جابه جايي الكترون موجب رسانش الكتريكي ماده مي شود. اين گونه مواد را رساناي الكتريكي مي ناميم. جسم هايي مانند مس و ساير فلزات كه به علت داشتن الكترون آزاد، بار الكتريكي درون آن ها شارش مي كند رسانا مي نامند.

2- در مواد جامد ديگر، الكترون ها براي رها شدن از اتم يا مولكول خود، انرژي زيادي لازم دارند و چون معمولا اين انرژي را به دست نمي آورند نمي توانند آزادانه جابه جا شوند، اين گونه مواد را نارساناي الكتريكي (عايق يا دي الكتريك) مي نامند.

جسم هايي مانند ميله پلاستيكي و شيشه اي كه الكترون ها نمي توانند در آن ها آزادانه حركت كند و در نتيجه بار الكتريكي را از خود عبور نمي دهند، نارسانا مي نامند.

3- دسته ديگري از مواد وجود دارند كه در آن ها مقدار كمي الكترون به دليل ارتعاش هاي گرمايي يا عوامل ديگر، انرژي لازم براي رها شدن را به دست مي آورند و در رسانش الكتريكي شركت مي كنند. اين مواد را نيمه رسانا مي ناميم.

سيليسيوم وژرمانيوم از اين گروه مواد هستند. از نيم رسانا در ساختمان ديود، ترانزيستور و مدارهاي الكتريكي استفاده مي شود.

نكته: وقتي به يك جسم نارسانا بار التريكي داده مي شود، بار در محل داده شده بـه جـسـم باقي       مي ماند و در جسم جابه جا نمي شود ولي وقتي به جسم رسانا بارالكتريكي داده مي شود آن بارالكتريكي در محل داده شده ساكن نمي ماند و در سطح خارجي جسم توزيع مي شود. در يك جسم رساناي باردار در مكان هاي برجسته و تيز, تجمع بار بيش تر از ساير نقاط است.

الكتروسكوپ، آشكار ساز الكتريكي:

الكتروسكوپ وسيله اي است داراي يك ورقه ي طلا يا آلومينيوم كه روي يك تيغه فلزي قرار دارد. تيغه فلزي به يك كلاهك رسانا متصل شده است كه مجموع كلاهك، تيغه ي فلزي و ورق طلا در يك قاب عايق دارد.

الكتروسكوپ در موارد زير مورد استفاده قرار مي گيرد:

1- آيا جسم داراي بار الكتريكي است؟

2- جسم چه نوع باري دارد؟

3-جسم رساناست يا نارسانا؟

1) تشخيص وجود بار در اجسام به وسيله الكتروسكوپ

جسم را به آرامي به كلاهك الكتروسكوپ بدون باري نزديك مي كنيم و نزديك كلاهك نگاه مي داريم. اگر جسم داراي بار الكتريكي باشد،با نزديك كردن آن الكترونهاي آزاد الكتروسكوپ تحت تاثير نيروهاي رانش و ربايش آن جابه جا شده و ورقه ها بارهاي همنام پيدا مي كنند و از هم جدا مي شوند. در صورتيكه جسم بدون بار الكتريكي باشد در ورقه ها هيچ تغييري مشاهده نمي شود.

2) تعيين نوع بارالكتريكي جسم

اگر الكتروسكوپ داراي بارالكتريكي باشد، وقتي ميله اي با بارالكتريكي غير هم نام به كلاهك الكتروسكوپ نزديك كنيم، زاويه دو ورقه طلا كم مي شود و اگر ميله اي با بار الكتريكي هم نام به كلاهك الكتروسكوپ نزديك كنيم، زاويه دو ورق طلا زياد مي شود.

3)جسم رساناست يا نارسانا

براي آنكه تعيين كنيم جسم رساناست يا نارسانا، هرگاه آن را به كلاهك الكتروسكوپ باردار تماس دهيم، اگر جسم رسانا باشد، قسمتي از بارهاي الكتريكي الكتروسكوپ به جسم منتقل شده و فاصله، دو ورقه طلا از هم كم مي شود و اگر جسم نارسانا باشد، بارالكتريكي به جسم منتقل نشده و فاصله ي ورقه ها از هم تغييري نمي كند.

ايجاد باردر الكتروسكوپ:

1- ايجاد بار توسط تماس:

وقتي ميله اي باردار را به كلاهك الكتروسكوپ تماس مي دهيم، قسمتي از بارهاي الكتريكي به كلاهك دستگاه منتقل مي شود.

در اين صورت الكتروسكوپ داراي بارالكتريكي مي گردد و بارهاي الكتريكي در آن پخش مي شود و ورقه هاي طلا داراي بارهاي الكتريكي هم نام شده و يكديگر را دفع مي كنند و از هم دور مي شوند.

2- ايجاد بار توسط القاء:

اجسام رسانا در اثر مالش باردار مي شوند اما بار آن ها به راحتي مي تواند به دست ما انتقال يابد و در آن ها باقي نمي ماند.

معمولا در اجسام رسانا از روش القا استفاده مي شود. در اين روش يك جسم رسانا را بدون تماس با آن باردار مي كنيم.

باردار كردن دو كره رسانا از طريق القاء:

مراحل باردار كردن يك كره رسانا از طريق القا:

الف) با نزديك ميله پلاستيكي باردار الكترونهاي آزاد كره به سمت راست حركت كرده و در سمت چپ كره بار مثبت به وجود مي آيد.

ب) با تماس كره به زمين، الكترونهاي آزاد از كره به زمين جاري مي شوند و بارهاي مثبت به دليل جاذبه بارهاي منفي ميله پلاستيكي جابه جا نمي شوند.

پ) تماس كره با زمين قطع مي شود(در مجاورت ميله باردار)

ت) با دور كردن ميله پلاستيكي از كره بارهاي مثبت در سطح كره پخش مي شوند.

مراحل باردار كردن الكتروسكوپ به روش القاء:

آذرخش (صاعقه)، برقگير:

ابرها به علت مالش به هوا يا كوه هاي بلند و يا القاي الكتريكي، داراي بارمثبت و يا منفي مي شوند. در بيش تر موارد، قسمت رو به پايين ابر (نزديك زمين) داراي بارمنفي و قسمت بالاي آن داراي بار مثبت   مي شود، اگر دو ابر چنان به هم نزديك شوند كه قسمت هايي از آن ها كه داراي بارهاي ناهمنام است، مجاور هم قرار گيرند، امكان دارد تخليه الكتريكي بين دو ابر صورت گيرد، كه معمولا با جرقه هاي بزرگ توليد گرما و صدا همراه است.
اين عمل را تخليه الكتريكي مي نامند.

به تخليه ي الكتريكي بين ابروزمين «آذرخش يا صاعقه» گفته مي شود.

برق گير يا رساناي آذرخش

آذرخش پديده ي بسيار خطرناكي است. زيرا در اثر شارش ناگهاني و بسيار عظيم بارالكتريكي انرژي زيادي را آزاد مي كند. اين پديده مي تواند به ساختمان ها و ... خسارت هاي جدي وارد سازد.

براي حفاظت ساختمان ها در برابر آذرخش، از وسيله اي به نام برق گير استفاده مي كنند.

برق گير كابل ضخيمي با نوك تيز است. قسمت نوك تيز برق گير را در بالاترين نقطه ي ساختمان نصب  مي كنند و انتهاي كابل آن را در اعماق مربوط به زمين قرار مي دهند، تيزي نوك كابل سبب مي شود كه در صورت به وجود آمدن آذرخش، خسارتي به ساختمان وارد نشود.

رسوب دهنده ي الكتريكي

دودهاي سياه غليظ و گرد و غباري كه از دودكش كارخانه ها بالا مي روند را مي توان توسط رسوب    دهنده ي الكتريكي از هوا جدا كرد و مانع ورود آن ها به هوا شد.

رسوب دهنده ي الكتريكي از توري فلزي نازكي با بارالكتريكي مثبت و دو تيغه فلزي كه به زمين متصل هستند تشكيل شده است. ذرات دود و گرد و غبار به هنگام عبور از ميان توري فلزي  داراي بار مثبت     مي شوند. ذره هاي دودباردار شده، از توري رانده مي شوند وروي تيغه ها رسوب مي كنند.به اين ترتيب از هوا جدا مي گردند، تيغه ها را گاه گاه بازدن ضربه مي تكانند تا دوباره آماده ي كار شوند.

جريان الكتريكي در واقع همان حركت بارهاي الكتريكي است.

انرژي الكتريكي نسبت به ساير انرژي هاي ديگر مزاياي دارد:

1- اين انرژي به آساني به انرژي هاي ديگر مانند گرما، انرژي مكانيكي، صوت و نور تبديل مي شود.

2- انرژي الكتريكي را به سهولت مي توان قطع يا برقرار كرد.

انواع جريان الكتريسيته:

در وسايل برقي دو نوع جريان الكتريسيته مورد استفاده قرار مي گيرد.

1- جريان مستقيم (D.C):

جريان مستقيم هميشه در يك جهت حركت مي كند.

2-جريان متناوب(A.C):

جهت جريان متناوب در هر ثانيه بارها تغيير مي كند.

براي آنكه جريان الكتريكي برقرار بماند، باربه يك مسير بسته نياز دارد، تا در آن شارش كند. مسيري كه بارها در آن حركت مي كنند. «مدار الكتريكي» ناميده مي شود.

توجه: براي نمايش قطعه هاي متداولي كه در مدارهاي الكتريكي به كار مي روند، از نمادهاي ويژه اي استفاده مي شود.

هر مدار الكتريكي ساده، شامل يك مولد،لامپ، كليد و سيم هاي رابط است. هرگاه در مدار كليد بسته شود جريان الكتريكي برقرار مي شود و لامپ روشن مي شود.

سيم هاي مخصوص سيم پيچي از دو قسمت درست شده اند. يك قسمت، رشته هاي باريكي هستند كه در داخل قرار دارند و قسمت ديگر روكش آن است قسمت مركزي از يك نوع فلز(معمولا مس) تشكيل شده است و قسمت خارجي آن پلاستيكي است.

به موادي كه جريان برق را از خود عبور مي دهند رسانا مي گويند. تمام فلزات از جمله مس رسانا هستند.

در مواد رسانا تعداد بي شماري الكترون آزاد وجود دارد. اين الكترونها با جابه جا شدن در داخل رسانا، باعث جابه جايي بارالكتريكي از داخل رسانا مي شوند.

به موادي كه جريان برق را از خود عبور نمي دهند، نارسانا مي گويند. روكش پلاستيكي سيم وبيش تر غير فلزات نارسانا هستند، در اجسام نارسانا به تعدادي كافي الكترون آزاد براي جابه جايي وجود ندارد، در نتيجه وقتي به يك جسم نارسانا الكترون اضافه يا كاسته مي شود جسم داراي بارالكتريكي مي شود و بارالكتريكي در همان محل، ساكن باقي مي ماند و جابه جا نمي شود.

اختلاف پتانسيل الكتريكي:

در يك مدار الكتريكي، در صورتي كه مدار به درستي بسته شده باشد؛ جريان الكتريكي به وجود مي آيد و لامپ روشن مي شود. براي به وجود آمدن جريان الكتريكي وجود قوه يا باتري ضروري است.

به قوه و باتري مولد جريان الكتريكي گفته مي شود. در يك مولد صورتي از انرژي به انرژي الكتريكي تبديل مي شود. مولدها انواع متفاوتي دارند:

1- پيل شيميايي:

در پيل هاي شيميايي، انرژي حاصل از يك واكنش شيميايي به انرژي الكتريكي تبديل مي شود. هر پيل ساده از دو ميله غير هم جنس رسانا تشكيل يافته كه در محدوده اي از اسيد يا باز يا نمك كه به آن الكتروليت مي گويند فرو برده شده است.

يك پيل ساده از دو تيغه رسانا (الكترودهاي) متفاوت مس و روي ساخته شده است كه در درون آن محلول رقيق سولفوريك اسيد قرار دارد. وقتي دو تيغه بايك رشته سيم به هم متصل شوند روي در اسيد حل مي شود و جريان الكترون ها در سيم از روي به طرف سيم برقرار مي شود.

تيغه ي روي را كه داراي بار منفي است قطب منفي يا الكترود منفي و تيغه مس را كه بارالكتريكي مثبت است قطب مثبت يا الكترود مثبت مي نامند.

2- پيل خشك:

پيل هايي كه در چراغ قوه مورد استفاده قرار مي گيرند، پيل خشك مي نامند.

ظرف محتوي الكتروليت از روي ساخته شده است كه خود قطب منفي پيل را تشكيل مي دهد. قطب مثبت آن ميله اي از جنس كربن است. الكتروليت آن خميري از آمونيوم كلريد (نشادر) و يك ماده ژلاتيني است. براي جلوگيري از خشك شدن خمير قسمت بالاي پيل را با يك ورقه فيبر توسط قير كاملا مسدود مي كنند.

هر مولد جريان الكتريكي داراي يك مشخصه به نام ولتاژ يا اختلاف پتانسيل الكتريي است.

اختلاف پتانسيل الكتريكي، عامل ايجاد جريان الكتريكي در مدار است. يعني براي ايجاد جريان در يك مدار، بايد توسط يك مولد، بين دو سر مدار، اختلاف پتانسيل برقرار كنيم، جريان الكتريكي همواره از جسمي كه پتانسيل الكتريكي بيش تري دارد به جسمي كه پتانسيل كمتري دارد مي باشد.

اختلاف پتانسيل الكتريكي را با علامت V نشان مي دهند و واحد آن ولت (V) است.

اختلاف پتانسيل الكتريكي بين دو نقطه را با وسيله اي به نام "ولت سنج" اندازه مي گيريم.

ولت سنج همواره در مدار به شكل موازي با بقيه اجزاي مدار قرار مي گيرد.

نكته: اختلاف پتانسيل بين پايانه هاي قوه ي معمولي برابر 5/1 ولت, باتري ماشين هاي معمولي 12 ولت و كاميون ها 24 ولت يا بيش تر است.

شدت جريان الكتريكي:

در شكل مقابل سيم رسانايي نشان داده شده است. در قسمت "الف" وقتي در دو سر رسانا اختلاف پتانسيل وجود ندارد الكترونهاي آزادي كه در مدت زمان مشخصي از مقطع AA' از راست  به چپ در حركت اند با الكترونهاي آزادي كه در همان زمان از همان مقطع از چپ به راست در حركت اند برابرند يعني به طور متوسط بار خالصي كه از مقطع AA' يا هر مقطع عرضي ديگر رسانا مي گذرد، در يك مدت زمان مشخص برابر صفر است.

هنگامي كه دوسر رسانا را به باتري وصل مي كنيم، بين دو سر آن اختلاف پتانسيل الكتريكي اعمال مي شود، مولد با صرف انرژي الكترونهاي آزاد را وادار به حركت مي كند و مي گوييم جريان الكتريكي برقرار است. (شكل ب)

توجه: در مايعات و گازها يونهاي مثبت و منفي و الكترونها اما در رساناهاي فلزي تنها الكترونهاي آزاد    مي توانند شارش كنند.

نكته: نسبت بار الكتريكي شارش شده از هر مقطع مدار به زمان شارش بار، يعني آهنگ شارش بارالكتريكي را شدت جريان الكتريكي مي گويند.

شدت جريان الكتريكي را با نماد I نشان مي دهند و يكاي آن آمپر است.

 q= مقدار بار الكتريكي عبوري از مدار بر حسب كولن (C)

t = مدت زمان شارش بار الكتريكي برحسب ثانيه (S)

= I شدت جريان برحسب آمپر

توجه: تجربه نشان مي دهد كه اگر ولتاژ مولد جريان الكتريكي در يك مدار افزايش يابد، مقدار جريان الكتريكي در مدار به همان نسبت افزايش مي يابد.

نكته1: شدت جريان هر مدار با وسيله اي به نام آمپرسنج بر حسب يكاي آمپر اندازه گيري مي شود.

نكته2: آمپر سنج هميشه در مدار به شكل سري (متوالي) با بقيه اجزاي مدار قرار مي گيرد.

مقاومت الكتريكي:

وقتي جريان الكتريكي از يك رسانا – مانند رشته ي درون لامپ – مي گذرد، مقداري از انرژي الكتريكي به انرژي گرمايي تبديل شده و باعث گرم شدن لامپ مي شود.

وقتي در يك رسانا را به مولد وصل مي كنيم، اختلاف پتانسيل الكتريكي مولد، باعث مي شود كه الكترونهاي آزاد، در مدار حركت مي كنند. در واقع مولد به الكترونهاي آزاد موجود در رسانا انرژي مي دهد. با تبديل انرژي پتانسيل به انرژي جنبشي (حركتي) الكترونها در رسانا به حركت در مي آيند الكترونها ضمن حركت در رسانا با ذره هاي سازنده ي آن برخورد كرده و در نتيجه رسانا گرم مي شود. اين عمل مرتبا تكرار مي شود يعني مولد به الكترونها انرژي مي دهد و انرژي الكترونها در برخورد با ذره هاي مرتعش رسانا به گرما تبديل مي شود.

به همين دليل بعد از مدتي كه از مولد استفاده مي شود، انرژي آن تمام خواهد شد.

مقاومت رسانا در مقابل حركت الكترونها را "مقاومت الكتريكي" رسانا مي گويند.

عوامل موثر در مقاومت الكتريكي رساناهاي فلزي:

مقاومت يك رساناي فلزي در دماي ثابت به عوامل زير بستگي دارد:

1- طول رسانا:

هر چه طول سيم بلند تر باشد مقاومت الكتريكي آن بيش تر است. به عبارت ديگر مقاومت الكتريكي باطول سيم رابطه مستقيم دارد. طول سيم را با L نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن متر است.

2- سطح مقطع رسانا:

مقاومت الكتريكي سيم هاي نازك بيش تر از سيم هاي كلفت است. به عبارت ديگر مقاومت الكتريكي با سطح مقطع سيم رابطه عكس دارد. سطح مقطع سيم را با A نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن مترمربع (m²) است.

3- جنس رسانا (مقاومت ويژه):

مقاومت ويژه ي پاره اي از رساناها مانند نقره و مس كم و پاره اي ديگر مانند تنگستن و آهن نسبتا زياد است.

مقاومت ويژه را با ρ نمايش مي دهند و يكاي اندازه گيري آن اهم متر (W.m)است.

با توجه به مطالب گفته شده، مقاومت يك رسانا از رابطه ي زير به دست مي آيد.

R مقاومت الكتريكي است و برحسب "اهم" اندازه گيري مي شود.

واحد مقاومت به افتخار خدمات علمي (گئورك زيمون اهم) نامگذاري شده است و نماد آن W (امگا) مي باشد.

مقاومت الكتريكي رسانا را با وسيله اي به نام "اهم متر" اندازه مي گيرند.

اگر اين وسيله، همراه با ولت سنج و آمپر سنج يك دستگاه را تشكيل دهند آوومتر "AVO metre" ناميده مي شود. (A براي اندازه گيري آمپر، V براي ولت و o براي اهم است)

قانون اهم:

آزمايش ها نشان مي دهد كه هر چه مقدار مقاومت الكتريكي يك مدار بيش تر باشد، شدت جريان الكتريكي در آن مدار كم تر است. از اين رو مي توان نتيجه گرفت كه در يك مدار الكتريكي بين شدت جريان مدار، ولتاژ و مقاومت الكتريكي رابطه ي زير وجود دارد.

مثلث اهم:

قانون اهم را مي توان در مثلث مقابل قرار دارد. بنابر اين دست خود را بر روي كميت مورد نظر قرار        مي دهيم و عمليات رياضي باقيمانده را انجام مي دهيم.

توجه: مقاومت الكتريكي يك رسانا با تغيير دما تغيير مي كند. در رساناهاي فلزي افزايش دما سبب افزايش مقاومت ويژه در نتيجه افزايش مقاومت رسانا مي شود.

مثال: به دو سر يك لامپ اختلاف پتانسيل 220 ولت وصل است. اگر شدت جريان در لامپ برابر 5/0 آمپر باشد مقاومت الكتريكي لامپ چند اهم است؟

اتصال پيل ها:

1- اتصال سري همسو:

اگر قطب مثبت هر پيل به قطب منفي مجاورش متصل شود اتصال را سري همسو مي نامند و جهت جريان هايي كه پيل ها به مدار مي فرستند همسو است.

مثال: اگر در يك مدار به جاي يك فوه 5/1 ولتي از دو قوه 5/1 ولتي كه به طور سري به هم وصل شده اند استفاده كنيم، در مجموع اختلاف پتانسيل قوه ها برابر 3 ولت مي شود.

مجموع نيروي محركه بيل هاي متصل به هم=نيروي محركه پيل معادل

توجه: در صورتيكه يك يا چند پيل در خلاف جهت ساير پيل ها قرار داشته باشند، نيروي محركه آن هارا از بقيه كم مي كنيم.

2-اتصال موازي همسو: در اين اتصال قطب هاي همنام پيل ها دوبه دو به هم وصل شده اند و ولتاژ دو سر همه پيل ها مساوي است.

نيروي محركه يكي از پيل ها= نيروي محركه بيل معادل اتصال موازي همسو

به هم بستن مقاومت ها:

1- مقاومت هاي متوالي:

اگر چند مقاومت مانند R_1و R_2و R₃يكي به دنبال ديگري بسته شود به طوريكه از همه آن ها شدت جريان I بگذرد، مي گوييم كه مقاومت ها به طور متوالي به هم بسته شده اند، در اين صورت مقاومت معادل از مجموع اين مقاومت ها به دست مي آيد.

R=R₁+R₂+R₃

در مقاوت هاي سري شدت جريان در طول مسير يكسان است. پس I₁=I₂=I₃

اما ولتاژ معادل برابر است با: V=V₁+V₂+V₃

2- مقاومت هاي موازي:

مقاومت ها را در صورتي موازي مي گويند كه هر يك از آنها بين دو نقطه از يك مدار بسته شود.

اختلاف پتانسيل دو سر همه مقاومت هاي موازي يكي است ولي جريان كل مدار بين آنها تقسيم مي شود.

مقاومت معادل از رابطه ي زير به دست مي آيد:

اختلاف پتانسيل دو سر همه مقاومت هاي موازي يكسان است پس V₁=V₂=V₃

در مقاومت هاي موازي جريان بين مقاومت ها تقسيم مي شود پس I=I₁+I₂+I₃ 

مثال: در شكل مقابل، قسمتي از يك مدار نشان داده شده است. مقاومت معادل آن چند اهم است؟

پاسخ: مقاومت هاي 6و4 اهمي به طور سري به يكديگر متصل شده اند پس مقاومت معادل آن ها برابر است با:

R'=R_۱+R_۲=۶+۴=۱۰Ω

مقاومت Wر10('R) و مقاومت 40 اهمي به طور موازي با يكديگر بسته شده اند بنابراين مقاومت معادل آنها برابر است با:

آهنربا:

يونانيان باستان بيش از 2500 سال پيش با پديده ي آهن ربا آشنا بودند، تالس كه اغلب از او به عنوان پدر علم يونان ياد مي شود، ماده ي كاني مگنتيت (Fe₃O₄) را كه آهن مي ربايد مي شناخت، ماده ي داراي چنين ويژگي را آهن ربا مي گويند. مشهور است كه اين ماده براي نخستين بار در محلي به نام "مگنزيا" در آسياي صغير (تركيه ي امروز) مشاهده است.

خاصيت آهنربايي در آهن، نيكل، كبالت و پاره اي از تركيبات و آلياژهاي آن ها نيز وجود دارد.

آهن ربا را با توجه به نوع كاربردي كه دارند، به شكل هاي مختلف (ميله اي،نعلي شكل، تيغه اي و...) مي سازند.

قطب هاي آهنربا:

يك آهنربا به هر شكلي كه ساخته شده باشد، داراي دو قطب است.

اگر يك آهنربا را درون ظرفي پر از ميخ هاي كوچك يا براده هاي آهن فرو ببريد و سپس بيرون بياوريد مشاهده خواهيد كرد كه ربايش و تراكم براده هاي آهن در دو ناحيه آهنربا بيش از جاهاي ديگر است.

به ناحيه هايي از آهن ربا كه براده هاي بيشتري را جذب مي كند و خاصيت آهنربايي در آن نواحي بيش تر است، قطب هاي آهنربا مي گويند.

توجه: در آهنرباي نعلي شكل، يكي از شاخه ها قطب N و شاخه ي ديگر قطب S است. در آهنرباي حلقه اي معمولا دو سمت بالا و پايين آهنربا قطب ها را تشكيل مي دهند.

اگر آهنربا را دور از چيزهاي آهني، آزادانه بياويزيم هميشه در راستاي شمال – جنوب جغرافيايي محل آزمايش قرار مي گيرد، از اين رو قطب هاي آهن ربا را به قطب N يا شمال ياب و قطب S جنوب ياب نامگذاري كرده اند.

يكي از ويژگي هاي جالب آهن ربا اين است كه اگر آهن ربايي را به دو يا چند قطعه بشكنيم، هر قطعه نيز خود يك آهن ربا با دو قطب S,N است آزمايش ها نشان داده است كه هر قدر اين عمل شكستن را ادامه بدهيم، بازهم قطعه هاي حاصل داراي دو قطب S,N خواهد بود. پس مي توان نتيجه گرفت كه قطب N از قطب S حدا شدني نيست و كوچكترين ذره هاي تشكيل دهنده ي آهن رباها (يعني اتم ها يا مولكول ها) نيز آهنربا هستند و دو قطب S,N دارند.

اين آهنرباهاي كوچك را دو قطبي مغناطيسي مي نامند زيرا هر يك همواره دو قطب S,N دارند.

 خطي را كه دو قطب يك دو قطبي مغناطيسي را به هم وصل مي كند. محور مغناطيسي آن مي نامند.يك دو قطبي مغناطيسي را با يك پيكان نشان مي هند.

موادي را كه اتم ها يا مولكول هاي سازنده آن ها خاصيت مغناطيسي دارند، مواد مغناطيسي مي نامند. نحوه ي سمت گيري دو قطبي هاي مغناطيسي كوچك در مواد مغناطيسي مختلف، متفاوت است، به همين دليل از لحاظ ويژگي هاي مغناطيسي با هم تفاوت دارند.

مواد پارامغناطيس:

دو قطبي هاي مغناطيسي در يك ماده ي پارامغناطيسي داراي سمت گيري مشخص و منظمي نيستند و در جهت هاي كاتوره اي قرار دارند. در نتيجه اين مواد خاصيت مغناطيسي ندارند. اگر آن ها را درون يك ميدان مغناطيسي (مثلا نزديك آهنربا) قرار دهيم دو قطبي هاي كوچك مانند عقربه هاي مغناطيسي در نزديكي آهنربا رفتار مي كنند و در راستاي خطوط ميدان منظم مي شوند. هر چه ميدان مغناطيسي قوي تر باشد، خاصيت مغناطيسي ماده بيش تر مي شود.

اگر آهنربا را از اين مواد دور كنيم، دو قطبي هاي مغناطيسي دوباره به سرعت به وضعيت كاتوره اي قبلي بر مي گردند.

منگنز، پلاتين، آلومينيوم، اكسيژن، اكسيدازت، فلزات قليايي و قليايي خاكي از جمله مواد پارامغناطيسي هستند.

مواد فرو مغناطيس:

در بعضي از مواد دو قطبي هاي مغناطيسي كوچك به طور طبيعي تمايل دارند با يكديگر هم خط شوند.اين مواد را فرو مغناطيس مي نامند. در برخي از مواد فرومغناطيس مانند آهن، كبالت و نيكل در صورتي كه خالص باشند، با قرار گرفتن در يك ميدان مغناطيسي به سهولت آهنربا مي شوند و به راحتي نيز خاصيت آهنربايي خود را از دست مي دهند. به اين مواد،"فرو مغناطيس نرم" گفته مي شود.

مواد فرومغناطيس نرم با حذف ميدان مغناطيسي خارجي خاصيت آهنربايي خود را از دست مي دهند و به همين دليل براي ساختن آهنرباهاي الكتريكي(آهنرباهاي غير دايم) مناسب هستند.

برخي ديگر از مواد مانند فولاد (آهن به اضافه دو درصدكربن), آلياژهاي ديگري از آهن، كبالت و نيكل به سختي آهنربا مي شوند به اين مواد فرومغناطيس سخت مي گويند. اين گونه مواد، پس از برداشتن ميدان مغناطيسي خارجي، ماده فرو مغناطيس سخت، خاصيت آهنربايي خود را حفظ مي كنند، به همين دليل اين مواد براي ساختن آهنرباي دائمي مناسب هستند.

اثر قطب هاي آهنربا:

قطب هاي همنام (N,N – S,S) يكديگر را مي رانند.

قطب هاي ناهمنام (N,S) يكديگر را مي ربايند.

ساخت آهن ربا:

آهنربا معمولا به سه روش مالش، القا و الكتريكي ساخته مي شود.

1) مالش:

اگر ميله فولادي را مطابق شكل به وسيله يك آهنربا مالش دهيم ميله خاصيت مغناطيسي پيدا كرده و آهنربا مي شود. در اين روش قطبي كه در انتهاي مسير، مالش به وجود مي آيد مخالف قطب مالش دهنده است.

2) القاي مغناطيسي:

اگر يك سر آهنرباي ميله اي را به چند ميخ آهني كوچك نزديك كنيم مشاهده مي شود كه ميخ ها جذب آهن ربا شده و هر يك ميخ مي تواند ميخ ديگري را جذب مي كند. در واقع ميخ اولي توسط آهن ربا به يك آهنربا تبديل شده كه توانسته است ميخ دومي را جذب كند. به همين ترتيب ميخ هاي بعدي نيز آهنربا شده اند. به اين ترتيب يك زنجير مغناطيسي ساخته شده است.

اگر آهنرباي قويتري داشته باشيم مي توانيم زنجير بلندتري بسازيم.

ايجاد خاصيت مغناطيسي در يك آهن توسط يك آهن ربا بدون تماس با آن، را القاي مغناطيسي مي نامند.

آهن ربا ابتدا سنجاق يا يك ماده ي مغناطيسي را طوري به آهن ربا تبديل مي كند كه قطب هاي ناهمنام آهنربا و سنجاق در مجاورت يكديگر واقع شوند، در اين حالت نيروي جاذبه مغناطيسي بين قطب هاي ناهمنام، باعث جذب سنجاق توسط آهنربا مي شود.

3) روش الكتريكي:

براي آن كه يك آهنرباي الكتريكي بسازيم، كافي است يك قطعه آهن را در داخل يك سيملوله كه از چندين دور تشكيل شده قرار داده و جريان مستقيمي به مدت چند ثانيه از آن بگذرانيم، قطب آهنربايي كه ايجاد مي شود به جهت جريان از سيملوله بستگي دارد. اگر سيم پيچ را طوري دست خود بگيريم كه چهار انگشت پيچيده شده در جهت جريان قرار گيرد، انگشت شست، قطب N را نشان مي دهد.

توانايي آهنرباهاي الكتريكي به سه عامل بستگي دارد:

1) شمار دورهاي سيملوله هر چه عده دورهاي سيملوله بيشتر باشد، آهنرباي الكتريكي قويتر خواهد بود.

2) جرياني كه از سيملوله مي گذرد هر چه شدت جريان عبوري از سيملوله بيش تر باشد, آهن ربا الکتريکي قويتر خواهد بود.

3) شكل هسته سيملوله

نكته: مهم ترين عواملي كه خاصيت آهنربايي را ضعيف مي كنند، گرما و ضربه هستند براي جلوگيري از ضعيف شدن آهنربا، بايد:

1- از وارد شدن ضربه به آن جلوگيري شود.

2- از قرار دادن آن در محل گرم خودداري كنيم.

3- آهنربا را به صورت دوتايي به نحوي كه قطب N هر يك در مجاورت قطب S ديگري قرار داشته باشد، نگهداري كنيم يا آن ها را به يك جسم آهني بچسبانيم.

دو قطعه آهن نرم كه در دو قطب آهنربا قرار مي گيرند، بنا به خاصيت القا آهنربا مي شوند.

در بين جانوران برخي ساكن و برخي متحرك اند جانوراني كه ساكن هستند اغلب در دريا زندگي مي كنند. جانوران ساكن هم اندام هاي حركتي دارند اين اندام ها همانند تاژه، مژك و بازو موجب موجب حركت     مي شوند.

حرکت لازمه ي زنده بودن موجود زنده است زيرا موجود با حركت كردن مي تواند نيازهايش را تامين كند.

انسان نيز حركت مي كند. حركت انسان توسط نيروي ماهيچه ها به كمك استخوان صورت مي گيرد. به عبارت ديگر استخوان ها اهرم هایی هستند كه با نيروي ماهيچه حركت مي كنند.

استخوان و كار آن

اسكلت انسان مانند ساير مهره داران اسكلت داخلي است. در اسكلت انسان علاوه بر استخوان ها غضروف و اجزاي ديگري وجود دارد.

وظايف اسكلت انسان:

1)شكل دادن به بدن

2) كمك حركت كردن بدن

3) حفاظت از اندام هاي مهم مانند قفس سينه و جمجمه

4) توليد گلبول هاي (سلول ما) خون.

بدن انسان مجموعه اي از سلول هاست. بافت استخواني نيز مانند ساير بافت ها از سلول هايي تشكيل شده است كه ساختار ويژه اي دارد.

مي دانيد كه در هر بافت سلول ها در ميان مايع بين سلول (آب ميان بافتي) قرار دارند.

گاهي ماده ي بين سلولي مانند استخوان جامد و گاهي نيمه جامد غضروف و گاهي مايع است مانند خون بنابر اين بافتي استخواني از سلول هاي استخواني تشكيل شده است كه در بين سلول هاي استخواني ماده ي زمينه اي جامدي وجود دارد كه به استخوان ها استحكام مي بخشد.

اگر يك ديوار را استخوان فرض مي كنيم آجرها سلول ها و سيمان بين آجرها ماده ي بين سلولي خواهد بود.

ماده ي زمينه اي بين سلول هاي استخواني شامل كلسيم و فسفر و رشته هاي پروتئيني است.

ماده ي كلسيم و فسفر استخوان را در برابر فشار مقاوم مي سازدو رشته هاي پروتئيني كه در بين ماده كلسيم و فسفر پراكنده است مقاومت استخوان در برابر ضربه زيادتر مي كند.

اگر يك تير سيماني برق را در نظر بگيريد ماده بتوني آن تير را در برابر فشار و ميل گردهاي دروني بتن مانند رشته هاي پروتئيني استخوان آن را در برابر ضربه مقاوم مي سازد.

اسكلت انسان يك تكه نيست و از استخوان هاي مختلفي تشكيل شده است كه به هم اتصال دارند و حركت استخوان هاي انسان در قالب حركات مفصل هاي متحرك صورت مي گيرد.

اگر استخوان در آب جوش قرار دهيم و بپزيم رنگ، شكل ظاهري، سختي و مقاومت آن در برابر حرارت تغييري مي كند .

در حرارت زياد شعله حتي رشته هاي پروتيئني مي سوزد و استخوان قابليت انعطاف خود را از دست مي دهد و ترد و شكننده مي شود. همچنين اگر استخوان را درون اسيد رقيق قراردهيم  پس از مدتي مواد معدني آن (كلسيم، فسفر) از بين مي رود و نرم مي شود.

ماده معدني استخوان از تركيبات كلسيم (فسفات فلوئوريد كربنات) وفسفات منيزيم است.

و ماده آلي آن از پروتئيني به نام اوسيئن است. نسبت مواد آلي به معدني در كودكان و بزرگسالان و سالخوردگان متفاوت است.

توده استخوان در سنين بالا افزايش مي يابد و تا سن 30 الي 35 سالگي ادامه مي يابد و از آن پس كاهش تدريجي آن آغاز مي گردد. چنانچه كاهش توده استخوان سريع صورت گيرد پوكي استخوان پديد مي آيد.

از عوارض پوكي استخوان، شكستگي آن است كه ممكن است در نقاط مختلف بدن مانند مفصل هاي ران، كمر، ستون مهره ها...) صورت بگيرد.

S8

عوامل مختلفي در پوكي استخوان نقش دارند كه عبارتند از: جنسيت، ارث، جثه، نژاد، افزايش سن، برخي از بيماري ها ي تيروئيدي)

براي جلوگيري از پوكي استخوان مي توان موارد زير را رعايت نمود.

كنترل وزن، ورزش كردن، مصرف كلسيم كافي، عدم استفاده از سيگار، عدم مصرف نوشابه هاي گاز دار، مصرف پروتئين و ويتامين D

 رشد استخوان:

همه استخوان هاي انسان در دوران جنيني به صورت  بافت پيوندي شكل مي گيرند و استخواني شدن، آنها به دو شكل صورت مي گيرد:

1) تبديل مستقيم بعضي از استخوان ها مانند استخوان هاي سر و صورت به بافت استخواني

2) بافت پيوندي ابتدا به غضروف تبديل مي شود سپس غضروف ها استخواني  مي شوند.

روند استخواني شدن اين استخوان ها تا سن 20 سالگي  ادامه مي يابد در دو سر استخوان هاي دراز بافتي به نام غضروف اتصال وجود دارد، از تقسيمات غضروف اتصال سلول هاي جديد ايجاد مي شود، و طول استخوان زيادتر مي گردد. در سطح استخوان هم پرده ضريع وجود دارد كه با تقسيمات سلولي خود موجب توليد سلول ها و افزايش قطر استخوان مي شود. بدين ترتيب استخوان رشد طولي و قطري دارد.

در اسكلت انسان يك ستون مركزي به نام ستون مهره ها يا ستون فقرات وجود دارد. كه از تعدادي مهره تشكيل شده است.

ستون مهره ها:

ستون مهره ها از نيم رخ 4 انحنا دارد ستون مهره ها به كمك انحناهاي خود و عضلات اطراف و رباط ها مي توانند فشار زيادي را تحمل كنند.

طول ستون مهره ها در مردان به طور متوسط 70 سانتي متر و در زنان 60 سانتي متر است در افراد سالخورده به علت تشديد انحناهاي ستون مهره ها و كاهش قطر ديسك هاي بين مهره ها مي توانند تا 4/1 طول ستون مهره ها كاهش مي يابد.

مفصل:

به محلي كه دو يا چند استخوان به يكديگر متصل هستند اعم از اينكه بين آنها حركت باشد يا نباشد مفصل (بند) مي گويند.

انواع مفصل:

1)مفصل ثابت يا ليفي (fibrous jornts):

در مفاصل ثابت يا ليفي قطعات استخواني توسط بافتي پيوندي از نوع رشته اي به يكديگر اتصال يافته اند. اين رشته ها به تدريج به استخوان تبديل مي شوند مانند استخوان هاي كاسه سر.

2) مفاصل غضروفي (cartilaginous joimts) يا نيمه متحرك:

F11

در اين نوع مفاصل يك صفحه غضروفي در بين دو قطعه ي استخوان وجود دارد مثل مفصل بين دنده ها و جناغ سينه در اينگونه مفصل ها در ابتداي پيدايش رشته اي وجود داشته است كه به غضروف تبديل شده است.

مانند ديسك بين مهره ها در ستون مهره ها.

3) مفصل متحرك (سينويال) synovial jointsl:

اين نوع مفاصل ها نسبت به دو مفصل ذكر شده كامل ترند، در اين مفصل دو استخوان مجاور توسط كپسول مفصلي و رشته هاي پيوندي به هم اتصال يافته اند. سطوح مفصلي دو استخوان مجاور با هم تماس دارند و آزادانه حركت مي كنند.

اجزاي مفصل متحرك:

1) سطوح مفصلي:

قسمتي از انتهاي دو استخوان كه در حفره مفصلي قرار دارد با لايه اي از غضروف پوشيده شده است.

2) كپسول مفصلي (كپسول ليفي):

غلافي از جنس بافت هم بند متراكم مفصل را در بر مي گيرد و به استخوان مي چسبد و استخوان را در مجاورت  هم نگه مي دارد.

3)رباط :

نواري از جنس هم بند متراكم است اين بافت بين دو استخوان كشيده شده است وظيفه آن مهار حركات بيشتر از اندازه مفصلي است.

F13

4)غشاي سينويال:

غشاي نازكي از بافت هم بند است كه سطح داخلي كپسول مفصلي و بخش هايي از استخوان ها كه در كپسول مفصلي وجود دارد را مي پوشاند اين غشاء مايع مفصلي (مايع ليدوپال) ترشح مي كند كه موجب كاهش اصطكاك دو استخوان در ناحيه مفصل مي شود همچنين داراي مواد غذايي لازم براي غضروف مفصلي است.

5) حفره مفصلي:

فضاي بين سطوح مفصلي است كه كپسول مفصلي و غشاء سينويال آن را در بر گرفته است.

انواع مفاصل متحرك:

1) مفاصل مسطح(لغزشي):

در اين نوع مفصل سطوح مفصلي كوچك، صاف، تخت است ممكن است كمي محدب يا مقعر باشد.

اين گونه مفصل ها سبب حركاتي مانند سرخوردن، لغزيدن مي شوند مانند مفصل بين استخوان هاي مچ دست و پا.

2) مفصل لولايي:

در اين نوع مفصل سطوح مفصلي قرقره اي شكل و قرينه يكديگر است.

حركت اين نوع مفصل مانند لولاي در باز و بسته شدن در يك صفحه حول يك محور صورت مي گيرد مثل مفصل آرنج و انگشتان

3) مفصل محوري و استخواني:

در اين نوع مفصل يك استوانه درون حلقه اي ناقص يا كامل مي چرخد درنتيجه مفصل حول محور طولي حركت چرخشي دارد.

4) مفصل بيضي شكل:

سطوح مفصلي كمي محدب و مقعر و بيضي شكل است اين مفصل قابليت حركات در دو جهت تا و باز شدن و دور و نزديك شدن دارند مثل مفصل مچ دست و ساعد چرخش اين نوع مفصل ها محدود است.

5) مفصل زينی:

سطوح اين نوع مفصل مانند زين اسب است. و سطوح مقعر هر يك, درون  هم فرو رفته اند مانند: مفصل مچ با كف است.

6) مفصل گوی و كاسه اي :

سطوح مفصلي در اين نوع مفصل مانند گوي و حفره است اين مفصل حول محور خود در جهات مختلف مي چرخد مانند استخوان ران و لگن يا بازو و كتف.

انسان به كمك استخوان و مفاصل با استفاده از نيروي ماهيچه حركات مختلف انجام مي دهد كه عبارتند از:

1) تاشدن باز شدن:

در اين حركت زاويه بين دو استخوان كاهش يا افزايش مي يابد.

2) دور كردن و نزديك كردن:

در اين حركت اندام داراي استخوان از محور اصلي بدن دور يا نزديك مي شود (adbuction)

3) چرخش:

حركت در محور اصلي اندام با حركت استخوان حول محور خود مانند چرخش گردن.

4) دوران:

حركتي كه در آن تا و باز شدن و دور و نزديك كردن و چرخش به طور همزمان صورت مي گيرد مثل چرخش دست حول محور خود ماهيچه ها.

حدود 3/1 تا 2/1 وزن بدن ها را ماهيچه ها تشكيل مي دهند ماهيچه ها عامل اصلي حركتند با وجود ماهيچه هاست كه غذا در طول لوله ی گوارش به پيش مي رود و هضم و جذب مي گردد و يا با حضور ماهيچه هاست كه خون در رگ ها جريان مي يابد و استخوان ها حركت مي كنند و ما مي توانيم فعاليت هاي خود را انجام دهيم.

در اندام هايي مانند چشم ها، زبان، ديواره لوله گوارشي، دفع ادرار، قلب ماهيچه ها وجود دارد اما شيوه كنترل فعاليت هاي آنها متفاوت است.

ماهيچه ها را مي توان بر اساس ساختار، موقعيت و شيوه ي كنترل تقسيم بندي كرد.

1) ماهيچه قلبي:

اين ماهيچه شامل سلول هاي منفرد، منشعب يا طويلي است كه به موازات يكديگر قرار گرفته اند و داراي خطوط عرضي هستند. انقباض آنها غير اداري و قوي و منظم است.

2) ماهيچه ي صاف:

اين نوع ماهيچه، اجتماعي از سلول هاي دوكي شكل است اين نوع ماهيچه پروتئين هاي انقباضي به صورت خطوط عرضي در زير ميكروسكوپ ندارد انقباض آنها كندتر از سلول هاي ماهيچه اي استخوان است و تحت كنترل اعصاب خودكار بدن هستند و ارادي نيستند. اين نوع ماهيچه را ماهيچه ي احشايي مي گويند.

مانند ماهيچه ي درون احشا و اندام هاي حفره اي شكلي مثل روده، معده، ميزناي، عدسي چشم، مردمك

3) ماهيچه ي اسكلتي(مخطط):

ماهيچه اسكلتي شامل دسته هايي از سلول هاي چند هسته اي استوانه اي بسيار طويل است كه در درون آنها پروتئين دماي انقباضي به صورت خطوط عرضي ديده مي شود.

حركت اسكلت بدن توسط اين نوع ماهيچه ها صورت مي گيرد. انقباض اين ماهيچه سريع پر قدرت و تحت كنترل اراده است بافت ماهيچه اي از سلول هاي ساخته شده است.

هر سلول ماهيچه اي تار ماهيچه نام دارد كه داراي رنگ دانه هاي ميوگلوبين به رنگ قرمز – قهوه اي است .

ميوگلوبين مولكولي شبيه هموگلوبين است.

در سلولهاي ماهيچه اي اسكلتي(مخطط) هسته هايي وجود دارد كه معمولا در زير غشاي سلول قراردارند.

تارهاي ماهيچه اي اسكلتي از نظر ساختار و عملكرد به سه دسته تقسيم مي شوند.

1) قرمز:

مقادير زيادي ميوگلوبين دارند اين تارها نيرومند هستند و ميتوكندي زياد دارد اما سرعت انقباض آن ها كمتر است.

2)سفيد:

اين نوع تارها نسبت به ساير آنها بزرگتر، قطورتر و ميتوكندري كمتر و ميوگلوبين كمتري دارند. سرعت انقباض زياد و نيروي آن ها كم است.

3) بينابيني:

ويژگي هاي حد واسط رشته هاي قرمز و سفيد را دارند.

خواص ماهيچه ها:

1) تركيب پذيري :

محركهاي فيزيكي (دما الكتريسيته)، شيميايي(اسيد و باز)، مكانيكي(ضربه)، موجب حركت ماهيچه ها مي شود.

2) انقباض:

مهمترين ويژگي ماهيچه ها خاصيت انقباض آنهاست. اين ويژگي ماهيچه موجب حركت اندام ها مي شود.

3) انبساط:

اين ويژگي موجب بازگشت آن به حالت اول است. و موجب حركات بدن مي شود.

ماهيچه هاي اسكلتي حركت متقابل دارند. يعني ماهيچه هايي كه در دو طرف يك استخوان قراردارند عكس عمل هم عمل مي كنند و موجب حركت اندام مي شود.