اهرم‌ها

طبق تعريفى که در لغت‌نامه آمده است اهرم عبارت است از ميله و يا شيءِ سخت ديگرى که در يک نقطه لولا شده باشد و نيروهائى بر دو نقطهٔ ديگر آن وارد و به‌کار گرفته شود نقطهٔ لولا شده را نقطهٔ اتکاء و نيروئى را که در اثر وزن يا وزنه عمل مى‌کند نيروى مقاوم و نيرويى که در صدد است اهرم را به حرکت درآورد نيروى محرک مى‌نامند.

پاروى قايقراني، نيزهٔ پرش، چوب‌دستى بيسبال، چوب‌دستى اسکى و غيره مثال‌هايى از اهرم‌هاى به‌کار رفته در ورزش‌ها مى‌باشند، ليکن از اين گذشته مهمترين اهرم‌ها را در تحليل حرکات انسان بايد در استخوان‌بندى و اسکلت بدن او دنبال کرد زيرا هر تأثيرى که بدن نهايتاً روى اهرم‌هاى خارجى بگذارد خود ناشى از اثر عمل‌کرد اهرم‌هاى داخلى او مى‌باشد. در اين مرحله بى‌ربط نيست که گفته شود اهرم‌ها الزاماً نبايد طويل، مستقيم و نازک و مانند ميله باشند. آنها ممکن است به هر شکلى وجود داشته باشند بنابراين عليرغم اشکال نامنظم خود از فک پائين گرفته تا استخوان نيم ‌لگن خاصره به‌طور غيرمستقيم و بازو و استخوان‌هاى بازو و ران به‌‌طور آشکار به‌عنوان اهرم در بدن انسان انجام وظيفه مى‌کنند. (شکل A)

اهرم‌ها اساساً داراى دو وظيفهٔ زير مى‌باشند:

۱. اهرم‌ها مى‌توانند اثر حاصل از کاربرد نيرو را بر روى اجسام افزايش دهند. هرگاه بخواهيم جسمى را در هوا نگه داشته و يا آن را از مين بلند کنيم معمولاً نيرويى که مقدارش حداقل به اندازهٔ وزن جسم باشد بايد به‌کار بريم مگر اينکه براى اين کار از وسائل مکانيکى کمک بگيريم که در آن صورت نيروى لازم براى نگهدارى جسم در هوا و يا بلند کردن آن از زمين به مراتب کمتر از نيروى ناشى از وزن جسم مى‌باشد. به‌طور مثال در شکل زير بازيکن فوتبال آمريکايى را که سرش را با استفاده از اهرم جمجمهٔ سر در چنين موضعى نگه مى‌دارد نشان مى‌دهد. در اين حالت محل قرار گرفتن سر روى مهرهٔ اطلس نقطهٔ اتکاء خواهد بود که سر حول اين نقطه مى‌چرخد. فرض کنيد وزن سر بازيکن به اضافهٔ وزن کلاه مخصوص او روى هم ۲۰ پوند (۹/۹ کيلوگرم) باشد (نيروى مقاوم) و نيروى محرک براى نگه داشتن سر در اين وضعيت از عضلهٔ ذوزنقه‌اى پشت منشاء گيرد. چنانچه طول بازيو کارگر ۵/۲ اينچ (۳۵/۶ سانتى‌متر) باشد نيروى محرک و مورد لزوم برابر است با:

F×۲.۵=۲۰×۱ F=۲۰×۱/۲.۵=۸ پوند

در اينجا ملاحظه مى‌شود که سر به‌عنوان يک اهرم عمل مى‌کند و نيروى عضلانى مورد لزوم براى نگهدارى آن در حال تعادل بيشتر از ۸ پوند نمى‌باشد به‌عبارت ديگر با استفاده از اهرم به‌طور قابل توجهى اثر حاصل از نيرو را افزايش داده‌ايم.

۲. اهرم‌ها مى‌توانند با عملکرد خود مسافتى را که جسمى در زمان معينى طى مى‌کند زيادتر کنند. به‌عبارت ديگر اهرم‌ها مى‌توانند سرعت حرکت يک جسم را زيادتر کنند. شکل زير اهرم مورد نظر ساق پاى زنندهٔ ضربه از مفصل زانو به پائين مى‌باشد، نقطهٔ اتکاء پا مفصل زانو است. عضلات مستقيم‌کننده مفصل زانو به‌عنوان نيروى محرک و وزن ساق پا و توپ نيروى مقاوم را تشکيل مى‌دهند. هرگاه دامنهٔ حرکت اهرم در يک زاويه ۳۰ درجه باشد نقطهٔ A که محل اتصال نيروى محرک است قوسى برابر با ۰۵/۱ اينچ (۶۷/۲ cm) را طى مى‌کند (اندازه‌هاى نشان داده شده در تصوير فرضى است).

قوس 'AA = ۳۰/۳۶۰ محيط دايره

'AA = ۳۰/۳۶۰×قطر Π (عدد پي)

'AA=۳.۱۴×۴×۳۰/۳۶۰=۱.۰۵

در همان حال نقطهٔ B که محل اصابت ضربه به توپ مى‌باشد قوسى برابر با ۵/۱۰ اينچ (۷/۲۶ cm) را طى مى‌کند يعنى دقيقاً ده برابر مسافت طى شده توسط نقطهٔ اتصال عضله و اين دو مسافت دقيقاً در يک زمان مساوى طى شده است و بنابراين نسبت به حد متوسط سرعت حرکت خطى نقطهٔ A و B يک به ده مى‌باشد و از اين موضوع چنين معلوم مى‌شود که اهرم‌ها مى‌توانند سرعت اجسام را که ناشى از نيروهاى عضلانى مى‌باشد تا حدِّ قابل توجهى بالا ببرند.

يادآورى:

(اهرم موردنظر در مثال فوق تنها شامل يک استخوان نبوده بلکه گروهى از استخوان‌ها که توسط ليگامنت‌ها و عضلات مختلف که به هم متصل و متحد شده‌اند تشکيل مى‌شود.) اين‌گونه اهرم‌ها را در بدن اهرم‌هاى لحظه‌اى مى‌خوانند که براى انجام کار مشخصى ساخته شده و پس از انجام آن کار از هم اوراق مى‌شوند. اين‌گونه اهرم‌هاى مونتاژ و ساخته شده اگرچه به اين شکل تشريح نشده‌اند ليکن به تعداد و موارد زياد در تحليل تکنيک‌هاى ورزشى ديده مى‌شوند.

به‌طور خلاصه اهرم‌ها براى دو هدف به شرح زير به‌کار مى‌روند:

- افزايش نيرو

- افزايش سرعت

حال براى اينکه بدانيم يک اهرم کدام‌يک از وظايف فوق را انجام مى‌دهد بايد بازوى کارگر و بازوى مقاوم را در نظر بگيريم. همان‌طورى که در شکل فوتبال آمريکايى ملاحظه مى‌شود بازوى کارگر بلندتر از بازوى مقاوم مى‌باشد و در اين صورت وظيفهٔ اهرم افزايش نيرو مى‌باشد. از طرف ديگر چنانچه بازوى کارگر از بازوى مقاوم کوتاه‌تر باشد (شکل بالا) در اين صورت اهرم به‌منظور افزايش سرعت به‌کار گرفته شده است و چنانچه اندازهٔ هر دو بازوى کارگر و مقاوم باهم مساوى باشد، امتيازى از نظر کاربرد اهرم نه از لحاظ نيرو نه از جهت سرعت به‌دست نمى‌دهد.

يادآورى:

(چون اکثر اهرم‌هاى استخوانى در بدن داراى بازوى کارگرى کوتاه‌تر از بازوى مقاوم مى‌باشند لذا گفته مى‌شود که بدن انسان براى حرکات سريع و نه نيرومند تجهيز شده است.)

اهرم‌ها برحسب قرار گرفتن نقطهٔ اتکاء و نيروى محرک و مقاوم به سه دسته يا نوع تقسيم مى‌شوند: اهرمى که نقطهٔ اتکاء آن بين نقطهٔ اثر نيروى محرک و نيروى مقاوم قرار گرفته باشد اهرم نوع اول خوانده مى‌شود. اهرمى که نقطهٔ اتکاء آن در يکى از دو سر اهرم و نقطهٔ اثر نيروى مقاوم نزديکتر از نقطهٔ اثر نيروى محرک نسبت به آن باشد اهرم نوع دوم و در صورتى که نقطهٔ اثر نيروى محرک نزديک‌تر از نقطهٔ اثر نيروى مقاوم نسبت به نقطهٔ اتکاء باشد اهرم را از نوع سوم مى‌خوانند. ليکن بايد توجه داشت آنچه در مورد يک اهرم اهميت دارد وضع هندسى آن نيست بلکه کارى است که به‌عهدهٔ آن مى‌باشد بنابراين اين‌گونه طبقه‌بندى اهرم‌ها اختيارى است و فقط به‌همين منظور در اينجا از آن استفاده شده است.