الروافع هي آلات بسيطة مصنوعة من عارضة صلبة وقضيب ونقطة ارتكاز يتحرك عليها القضيب. ويتم تطبيق الجهد أو قوة الإدخال والحمل أو قوة الخرج على أي من طرفي العارضة، ونقطة الارتكاز هي النقطة التي تدور حولها العارضة. عندما يطبق جهد على أحد طرفي الرافعة، ينتقل الحمل إلى الطرف الآخر من الرافعة، وهذا يؤدي إلى رفع الكتلة. تعتمد الروافع على عزم الدوران لتشغيلها، وعزم الدوران هو قوة الدفع المطلوبة لجعل جسم ما يدور حول محوره (أو نقطة الارتكاز).
توفر الرافعة فائدة ميكانيكية، وتعني الفائدة الميكانيكية زيادة القوة التي يمكن لآلة بسيطة تحملها وتحديد موقع الجهد والحمل وموقع المرتكز، ويعتمد نوع الرافعة ومقدار الفائدة الميكانيكية على الماكينة، وكلما كان الجهد بعيدًا عن نقطة الارتكاز، كانت أسهل عملية تحريك الحمل.
وتتكون الروافع من أربعة أجزاء وهي:
- ذراع الرافعة أو القضيب
- والمحور
- والجهد
- والحمل.
أنواع الروافع في جسم الإنسان وأهميتها
تعمل العضلات والعظام معًا في أجسامنا لتشكيل روافع، وعادة ما يكون طول العظم هو العارضة للروافع، والتي تدور حول محور (عادة مفصل)، ويمكن استخدام الروافع في جسمنا أو بشكل عام، حيث يمكن لقوة صغيرة أن تحرك قوة أكبر منها بكثير، وهذا هو الفائدة الميكانيكية للروافع.
وفي أجسامنا:
- العظام تعمل كذراع رافعة، والمفاصل تعمل كمحاور.
- تعمل المفاصل كمحاور.
- توفر العضلات القوة اللازمة لتحريك الأحمال.
- عادةً ما تعني قوة الحمل الأوزان المتحركة في جسمنا أو القوى التي يتعين علينا تطبيقها لرفع أو دفع أو سحب الأشياء خارج الجسم.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الرافعات لزيادة حجم الحركة، على سبيل المثال، عند ركل الكرة، يتم إنتاج تقلصات صغيرة في عضلات الساق لتحريكها بحجم أكبر في نهايتها. وبشكل عام، يمكن للرافعات في أجسادنا منحنا قوة أو حركة، ولكن ليس الاثنين معًا .
وتعتمد كفاءة الرافعة على نسبة ذراع الجهد لذراع التحميل، وذراع الجهد (EA) هو المسافة بين نقطة الارتكاز والجهد، في الجسم تكون هي المسافة بين المفصل وموقع إدخال العضلة، أما ذراع التحميل (LA) هو المسافة بين نقطة الارتكاز والحمل ؛ في الجسم ،تكون هي المسافة بين المفصل وجزء الجسم المحمل.
بوجه عام يتم تقسيم الروافع إلى ثلاثة أقسام وهي:
روافع الدرجة الأولى: – تتميز النقطة المركزية بأن محور الارتكاز يقع بين ذراع القوة وذراع المقاومة، ويمكن أن تؤدي مهام ميكانيكية بدون توفير الجهد، أو أن توفر القوة وذلك يعتمد على نسبة طول ذراع القوة إلى ذراع المقاومة.
روافع الدرجة الثانية: هذا النوع من الروافع يتميز بوجود درجة الارتكاز في المنتصف، ويعتبر الأفضل لأن ذراع القوة فيه يكون دائمًا أطول من ذراع المقاومة.
روافع الدرجة الثالثة: القوة فيها تكمن بين محور الدعم والمقاومة.
الروافع الموجودة في جسم الإنسان هي من نفس الأنواع الثلاثة للروافع، وهي الروافع من الدرجة الأولى والثانية والثالثة. تتكون أجسامنا من مجموعة متنوعة من المفاصل الزليلية التي تعمل كنظام رافعة، وتشمل المفاصل الزليلية المفاصل المتحركة مثل الكتف والعمود الفقري والركبة والكوع والكاحل. وتتألف المفاصل الزليلية من ثلاثة عناصر رئيسية: الجهد (القوة المطبقة للعضلة في موقع إدخال العظم)، ونقطة الارتكاز (محور المفصل)، والحمل (جزء الجسم أو الوزن المراد تحريكه).
لماذا تعد ذراع الانسان رافعة ؟ ” وما نوعها
يتضمن الذراع مفصل الكوع الذي يُعد مثالًا على رافعة من الدرجة الثالثة، ويتميز بوجود مفصل زليلي، كما هو موضح في الصورة:
نقطة الارتكاز أو المحور في الذراع=الكوع.
القضيب هو العضلة ذات الرأسين الموجودة في الذراع.
الجهد = قوة العضلات في الذراع.
القوة = قوة الجسم الذي نحركه بأيدينا.
وهذا النوع من الروافع يعمل بالجهد بين الحمل ونقطة الارتكاز، والمسافة بين مفصل الكوع وموقع إدخال وتر العضلة ذات الرأسين صغيرة جدًا ، خاصةً عند مقارنتها بالمسافة بين مفصل الكوع والوزن في يدك، وذراع الجهد أقصر بكثير من ذراع التحميل ، لذلك تعتبر يد الإنسان من روافع الدرجة الثالثة.
روافع الدرجة الدرجة الأولى في أجسامنا
بالنسبة للرافعة من الدرجة الأولى ، يقع محور الارتكاز بين الجهد والحمل، وفي أجسامنا المكان الذي تلتقي فيه الجمجمة بأعلى عمودك الفقري هو رافعة من الدرجة الأولى، فالجمجمة هي ذراع الرافعة وعضلات الرقبة في مؤخرة الجمجمة توفر القوة (الجهد) لرفع رأسك لأعلى ضد وزن الرأس (الحمل)، والمحور هو المكان الذي تلتقي فيه جمجمتك بأعلى عمودك الفقري، وعندما تسترخي عضلات الرقبة ، تومئ رأسك للأمام.
أمثلة على الروافع من الدرجة الثانية في أجسامنا
عندما يكون المفصل في إصبع القدم هو المحور وتعمل القدم كذراع رافعة، توفر عضلات ربلة الساق ووتر العرقوب الدعم المناسب عند انقباض عضلة الربلة، ويشير الحمل إلى وزن الجسم الذي يتزايد بمجهود العضلات (التقلص).
نظرًا لأن عضلة الساق تنتمي إلى الروافع من الدرجة الثانية وتعتبر من أفضل الروافع، بينما تنتمي عضلة الذراع إلى الروافع من الدرجة الثالثة، يمكن لعضلة الساق رفع أثقل الأوزان حتى لو كانت القوة متساوية بينهذه العضلتين.
ما هو عزم الدوران
في الأمثلة السابقة تعمل قوى الجهد والقوة أو الحمل في اتجاهات دوران معاكسة لبعضها البعض، إذا حاول الحمل تدوير الرافعة في اتجاه عقارب الساعة ، فإن الجهد يحاول قلب الرافعة عكس اتجاه عقارب الساعة، وللقوى التي تعمل على الرافعة أيضًا تأثيرات مختلفة اعتمادًا على بعدها عن محور الارتكاز.
عند فتح باب مفتوح، يكون من السهل تحريكه بالضغط على مقبض الباب بدلاً من الضغط على مفصل الباب، حيث يؤدي الضغط على الباب إلى دورانه وفتحه.
يمكنك زيادة عزم الدوران عن طريق زيادة قوة التأثير أو زيادة المسافة التي يؤثر عليها القوة من المحور. وهذا هو السبب في أن مقبض الباب بعيدًا عن المفصل.
تولِّد القوى من عضلاتنا عزمًا للدوران حول مفاصلنا إما باتجاه عقارب الساعة أو عكسه، وإذا كان العزم متساويًا ومتعاكسًا فلن يتحرك الرافعة، وإذا كان غير متساوي، فستدور الرافعة في اتجاه العزم الأكبر.
الصيغة الرياضة لحساب عزم الدوران:
عزم الدوران = القوة × المسافة الرأسية على المحور.
تُقاس القوة بالنيوتن، في حين يتم قياس المسافة إلى المحور بالمتر أو السنتيمتر، ولذلك فإن وحدة قياس عزم الدوران هي إما نيوتن متر (Nm) أو نيوتن سنتيمتر (Ncm).