بررسی روبـات مسیر یاب ربوحشره

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 بررسی روبـات مسیر یاب ربوحشره دارای ۱۲۸ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد بررسی روبـات مسیر یاب ربوحشره  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

این پروژه توسط مرکز بررسی روبـات مسیر یاب ربوحشره۲ ارائه میگردد

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی بررسی روبـات مسیر یاب ربوحشره،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن بررسی روبـات مسیر یاب ربوحشره :

فصل اول :

یک تاریخچه کوتاه

کلمه روبات (‌Robot) اولین بار در سال ۱۹۲۱ در نمایشنامه ‌ای به نام « روباتهای جهانی روسام » اثر کارل چاپک ( نویسنده چک) بکار برده شد؛ این کلمه از روبوتا که در زبان چک معنای « کار شاق و اجباری » می دهد،مشتق شده است و در این نمایشنامه روباتها موجوداتی هستند که توسط داشمند زیست شناسی نابغه‌ای بنام روسام از یک خمیر مایه اسرار آمیز تولید می شوند تا جای کارگران را بگیرند.این نمایشنامه پایانی تراژیک و ترسناک دارد ، چون روباتها به تدریج کاملتر و هوشمند تر شده ، و بعنوان موجود برتر نسل انسان را منقرض می کنند.

شکل (۱-۱)

شکل (۱-۱) تصویری تخیلی از روبات نمایشنامه «روباتهای جهانی روسام »

در اسطوره های قوم یهود موجودی افسانه ای به نام گولوم وجود دارد .که از گل ساخته شده،‌توسط نیرویی جادویی جان می گیرد. هیولای رعب انگیز داستان معروف دکتر فرانکشتین ( اثر مری شلی ) را نیز می توان یک روبات دانست. مخلوق هولناکی که از بخیه زدن قطعات بدن مرده های مختلف ساخته شده و با الکتریسیته روح حیات در آن دمیده می شود ( شکل ۱-۲)

چیزی که در همه این داستانها مشترک است ، پاپان غم انگیز آنهاست: روبات ، گولوم یا هیولا سرانجام خالق خود را نابود می کند. این افسانه ها حیات مصنوعی معادل وحشت و دردسر است این داستانها در واقع انسان را از پیشرفت بیش از حد منع میکند. و نسبت به عواقب وخیم آن هشدار می دهند. اما وحشت نکنید ، روباتهایی که ما می سازیم فقط ماشینهای هوشمندی هستند که دستورات مارا به طور خودکار اجرا می کنند.

اما اجازه دهید ببینیم ایده‌موجود مصنوعی هوشمند از کجا آمده ، و انسانها در طول قرون واعصار چگونه آن را دنبال می کنند .

شکل

شکل ۱-۲- مخلوق ترسناک دکتر فرانکشتین، و گولوم

اتوماتون و انیماترونیک

اتوماتون (Automaton) وسیله ایست که می تواند با اتکاء به نیروی خود حرکت کند. از آنجائیکه مکانیزم جرکت اتوماتون اغلب مخفی است و به چشم نمی آید، برای افراد معمولی این تصور پیش می آید که اغلب موجوداتی خودمختار یا زنده هستند . با اینکه تعریف اتوماتیون برای اشیاء ساده‌ای مانند ساعت هم صدق می کند ، اما این اصطلاح معمولاً برای توصیف دستگاه هایی که ظاهر و حرکات موجودات زنده را تقلید می کنند بکار برده می شود .

انسانها از همان اولین روزهای خلقت درباره‌بدن ( یا موجودات زنده دیگر) و طرز کار آن کنجکاو بوده اند ، و این شفتگی باعث شده تا آرزوی خلق موجودی شبیه آن را در سر بپروانند . اولین اقدامات برای جان بخشیدن به مجسمه ها از یونان باستان شروع شد . آنها با استفاده از نیروی بخار آب و بکار گرفتن مکانیزم های ساده ، بخشهایی از بدن مجسمه ها را به حرکت در می آوردند. بعدها مکانیزمهای پیچیده تری ساخته شد : مجسمه هایی که راه می رفتند ، پرنده هایی که اواز می خواندند ، آتشهایی که خودبخود روشن می شدند ، و مانند آنها . درایران ، مصر ، چین باستان نیز مدارکی دال بر اختراعات مشابه بدست آمده است .

این روند با سقوط امپراتوریهای یونان و روم ( وشروع عصر تاریکی ) دچار وقفه‌ای طولانی شد ، اما در دوره رنسانس اتوماتون نیز مانند سایر علوم و هنرها از پرده محاق خارج شد . داستانهای جالبی از یک عقاب پرنده آهنین که در سالهای دهه ۱۴۷۰ میلادی به دست یوهان مولر ساخته شد، نقل شده است . در قرون چهاردهم و پانزدهم میلادی اتوماتون بازی محبوب اشراف بود . لئوناردو داوینچی یک شیر متحرک برای لویی دوازدهم (‌پادشاه فرانسه) ساخته بود ؛ شارل پنجم تعداد زیادی اسباب بازی مکانیکی داشت ، که آنها را جیانلو دلاتور (دانشمند اهل کرمونا) برایش ساخته بود ، کریستین هویگنس (دانشمند هلندی ) نیز در دهه ۱۶۸۰ یک بازوی مکانیکی اختراع کرده بود .

اولین اتوماتون شبه انسانی (‌که با آدمک android– معروف است ) در اوایل قرن شانزدهم میلادی توسط هانس بالمن ساخته شد . از آن زمان به بعد آدمک ها در مرکز توجه سازندگان اتوماتون قرار دارند . در قرون بعدی آدمکهایی ساخته شدند که ساز می نواختند، نقاشی می کردند، داستان می نوشتند و حتی شطرنج بازی می کردند ( یا حداقل تظاهر به بازی می کردند )

قرن هیجدهم عصر طلایی اتوماتون بود ، و ماشینهای بسیار ظریفی در این سده ساخته شد. برای ساخت این ماشینها اغلب از چرخ دنده های ظریف ساعت ها و استوانه های کنترلی استفاده می شد . قلب ( یا بهتر است بگوئیم مغز ) این ماشینها همان استوانه کنترلی بود که روی آن صدها یا هزاران میله یا بادامک (‌با اشکال پیچیده ) تعبیه می شد. استوانه کنترلی نیروی حرکتی خود را از یک فنر (‌شبیه فنر ساعت ) می گرفت ، و بنوبه خود ( توسط بادامک ها ) اهرمها و میله های دیگری را به حرکت در می‌ورد ؛ که باعث حرکات بسیار پیچیده ماشین می شد .

معروفترین اتوماتون قرن هیجدهم آدمکی بود بنام تورک ، که در سال ۱۷۷۰ توسط ولفگانگ فون کپلن ساخته شد . این آدمک (‌توسط صاحب خود ، یوهان نپوماک مالزل )‌به سرتاسر اروپا و آمریکا سفر کرد و مردم را با بازی شطرنج خود متحیر ساخت . مردم آن روزگار به اندازه‌کافی از مکانیزم داخلی اتوماتون ها اطلاع داشتند ، و میدانستند که یک وسیله‌مکانیکی ( هر اندازه پیچیده ) نیم تواند فکر کند . اما تورک این عقیده را به چالش کشید . تورک با اغلب مشاهیر آن روزگار (‌مانند ناپلئون ، چارلز بابیج و آدگارآلن پو) بازی کرد ، و اکثر آنها را هم برد . اما راز تورک بعدها بر ملا شد، و معلوم شد که داخل این ماشین ظریف جایی برای پنهان شدن یک انسان تعبیه شده بود، که یک شطرنج باز قهار را در خود مخفی می کرده است .

اما تورک پیچیده ترین اتوماتون تاریخ نیست ، بلکه این عنوان بی تردید شایسته یک مرغابی مکانیکی است که در سال ۱۷۳۸ توسط ژاک و کانسو اختراع شد . این مرغابی شنا می کرد، بال می زد ، با منقار پرهایش را می آراست ، آب می خورد ، غذا می خورد ، و حتی پس مانده غذای خودره شده را دفع میکرد! تمامی این حرکات مستلزم هزاران قطعه متحرک مکانیکی بود که در داخل بدن مرغابی و روی یک پایه‌بزرگ نصب می شود . اما اتوماتون برای وکانسو فقط جنبه سرگرمی داشت . و دغدغه اصلی وی ماشینهای خودکار بافندگی بود .، در سال ۱۷۴۳ ، و کانسو بازیچه‌های مکانیکی خود را فروخت و مدیریت یک کارخانه دولتی ابریشم بافی در فرانسه را بر عهده گرفت . در اینجا بود که وکانسو یک ماشین خودکار بافت نقوش بر جسته ابریشم اختراع کرد که توسط کارتهای سوراخ دار کار می کرد .و . متأسفانه این اختراع هوشمندانه در اثر عدوات بافندگان دیگر برای مدتها نادیده گرفته شد .

در سال ۱۸۰۴ جوزف ماری ژاکارد ابداع و کانسورا را با طرحهای خود تکمیل و افتخار اختراع ماشین بافندگی خودکار را به نام خود ثبت کرد . با اینکه ماشینهای ژاکارد هم از مخالفت کینه توزانه صاحبان کارخانجات بافندگی معاصر وی مصون نماند ( و حتی در مواردی کار به سوزاندن کارخانجات بافندگی خودکار کشید )، اما در نهایت این ماشینها کارایی فوق العاده خود را به اثبات رسانده و راه انقلاب صنعتی را هموار کردند .

در قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم ، همزمان با پیشرفت تکنیکهای ساخت و تولید ، وسایل مکانیکی خودکار به میان مردم راه یافتند که از میان آنها می توان به ساعتهای فانتزی ، اسباب بازیهای مکانیکی پیچیده و اختراعات نو ظهور دیگر اشاره کرد. امروزه موتورهای الکتریکی مینیاتوری و وسایل کنترل الکتریکی جای فنر و چرخ دنده را در اسباب بازیها گرفته است. اما همچنان می توان اتوماتون های ظریف و خوش ساخت را به ( قیمتهای مختلف ) در گوشه و کنار یافت .

بدون شک سهم بزرگی از اختراعات انقلاب صنعتی مدیون کنجکاویهای بازی گونه سازندگان اتومان در عصر رنسانس است . امروزه اتوماتون به هنر نیز راه یافته است . شرکت معظم فیلمسازی والت دیسنی در بسیاری از آثار موفق خود از ماشینهای پیچیده‌ای که نقش بازیگران حرفه‌ای را ایفا می کنند استفاده کرده است. این ماشینهای فوق العاده ظریف، که انیماترونیک (Animatronik) نامیده می شوند ، به کمک موتورهای الکتریکی و ابزارهای هیدرولیک ( و کسی به جای آنها حرف بزند ) باور حیات را بسادگی به افراد القاء میکنند .

شکل ۱-۳- یکی از انیماترونیک های والت دیسنی

از حقه های ساده یونانیان و مصریان باستان گرفته شده تا انیماترونیک های پیچیده والت دیسنی (‌که به معجزه بیشتر شبیه هستند ) ، همه این ماشینها در یک اصل ساده مشترکند، آنها فقط به یک سلسله حرکات از پیش تعیین شده را باز تولید و تکرار می کنند .

ماشینهای تولید

از همان شروع انقلاب صنعتی کارخانه ها با مشکلی به نام تأمین نیروی کار ماهر روبرو شدند . با اینکه نیروی آب ، بخار ، گاز و برق به انسان کمک می کرد، اما نقش اصلی را همچنان مردان ،زنان ، و کودکانی بر عهده داشتند که در ازای مزد ناچیز در کارخانه ها روز خود را شب می کردند . در این شرایط بود که ایده اتوماسیون بسرعت به در میان کارخانه رواج یافت . اما بزودی روشن شد که ماشینی که بتواند حتی یک کار ساده (‌مانند تبدیل مفتول فولادی به گیره های کاغذی ) را بطور کاملاً‌خودکار انجام دهد؛ ماشینی بغایت پیچیده خواهد بود. کارخانه کاملاً خودکار هنوز هم فقط یک رؤیاست ( رؤیایی که متعلق به فیلم‌های علمی – تخیلی مانند فیلم جذاب و دیدنی ادوارد دست قیچی ) و در کارخانه‌های امروزی برای هر کار خاص یک ماشین خاص وجود دارد : ماشین برش ، ماشین خمکاری ، ماشین جوشکاری و مانند آنها .

اما ورود اتوماتون ها به صنعت تا زمان امکان برنامه ریزی آنها عملی نشد ؛ روباتیکه نتواند برای موقعیتهای مختلف برنامه ریزی شود ، از ارزش عملی چندانی برخوردار نیست . اتوماتون ها ( یا روباتها ) از ماشینهای خودکار قدیمی یک گام جلوتر بودند: آنها ایمنی بیشتری برای کارگران تأمین می کردند، چون آنها ذاتاً نیازی به همراهی کارگران نداشتند و می توانستند بدون هیچگونه کمکی کار خود را به خوبی انجام دهند (‌شکل ۱-۴ را ببینید )

شکل ۱-۴- یک روبات جوشکار

مهمترین قسمت مکانیکی یک روبات کارگر بازوی آن است ( شکل ۱-۵) بازوی روبات یک «‌دست » مکانیکی تخصصی یافته است که برای انجام یک یا چند وظیفه خاص طراحی شده است هر بازوی روباتی می تواند بر طبق برنامه ریزی انجام شده در مغز آن کارهای مختلفی را انجام دهد علاوه بر آن این امکان نیز وجود دارد که یک روبات بتواند بازوهای مختلفی داشته باشد .

روباتها دریچه جدیدی برروی اکتشافات عملی گشوده‌اند. امروزه به کمک روباتها به جاهایی می توان سفر کرد که در گذشته تصور آن هم دشوار بود :سفر به سایر کرات منظومه شمسی مانند مریخ ، سفر به اعماق فضا یااقیانوسها ،‌یا سفر به نقاط صعب العبور مانند قطب جنوب و حتی قله کوههای آتشفشان در شکل ۱-۶ روباتهای مریخ نورد ناسا بنامهای اوپورچونیتی و پت فایندر را می بینید .

روباتهای افسانه‌ای

با اینکه افسانه های زیادی درباره روباتها و موجوداتی با حیات مصنوعی نقل شده است ، اما در این افسانه ها بروشنی معلوم نیست این هیولاها چگونه خلق شده اند . در داستانهای گولوم و فرانکشتین هیچ توصیف واقعی از نحوه خلایق هیولاوجود ندارد و حتی در داستان عملی تر کارل چاپک روباتها مخلوقاتی از جنسی سیتوپلاسم مرموز هستند ، نه موجوداتی مکانیکی . اما روباتهای واقعی ماشینهای ظریفی هستند که بر طبق یک نقشه فنی دقیق ساخته می شوند. بااین حال ، همیشه این تصور ( یا ترس ) وجود داشته است که روباتها بتوانند از خالق خود یعنی انسان پیشی بگیرند.

شکل ۱-۵- یک بازوی روباتی

شکل ۱-۶- روباتهای مریخ نورد .

روباتها همیشه در سینما حضور چشمگیر داشته اند. روباتهای دوست داشتنی نسل ما سی تری پی او (‌C3PO)و آر تودی تو (R2D2) روباتهای قهرمان سری فیلمهای جنگ ستارگان – به نوعی تداعی کننده لورل و هاردی بودند .

شکل ۱-۷- روباتهای قهرمان فیلم جنگ ستارگان

اما امروزه هنر پیشه بیشتر در نقش موجودات خبیث ظاهر می شوند: سایبورگ های فیلم بلیدرانر، یا ماشینهای آدمکشی TX-T1000 در مجموعه فیلمهای ترمیناتور

شکل ۱-۸- روبات خبیث فیلم ترمیناتور

حضور روباتها در فیلمهای سینمایی سابقه‌آی بسیار طولانی دارد : اولین روبات در سال ۱۹۰۹ در فیلمی انگلیسی به نام خدمتکار الکتریکی ظاهر شد . پس از آن در فیلم معروف متروپلیس ( ساخته فریتزلانگ کارگردان آلمانی ) روباتی مؤنث بنام ماریا ایفای نقش کرد. در فیلم معروف جادوگر شهر اوز ( که در ایران به نام جادوگر شهر زمرد به نمایش درآمد ) نیز یکی از نقشهای اصلی (‌گوی آتش ، فرمانروای شهر زمرد ) بر عهده روباتها گذاشته شد . دهه ۱۹۵۰ اوج فیلمهای تخیلی بود که بدون روباتها هیچوقت کامل نبودند، معروفترین این روباتها رابی قهرمان با مزه فیلم سیاره ممنوع بود ، که بدون تردید می توان آنرا الهام بخش بسیاری از روبات – هنر پیشه های بعد ازخود نامید.

کتابخوانها نیز از روباتها دور نبوده اند ، داستانهای علمی – تخیلی همواره با این موجودات عجین بوده است.

بدون تردید معروفترین نویسنده‌ای که درباره‌روباتها به تفصیل نوشته ، کسی نیست جزء آیزاک آسیموف .آسیموف در طی خلق دهه ها داستان علمی ، تخیلی مهیج ، قوانین سه گانه روباتیک خود را تدوین کرد. که امروزه به عنوان اصول اساسی این صنعت پذیرفته شده‌اند قوانین سه گانه روباتیک آسیموف چنینند :

۱- قانون اول روباتیک : یک روبات نباید (‌از طریق اقدام یا عدم اقدام خود ) باعث صدمه دیدن یک انسان شود . یااجازه دهد به یک انسان آسیب برسد .

۲- قانون دوم روباتیک: یک روبات باید دستوراتی را که انسانها به آن می دهند اجرا کند مشروط بر اینکه قانون اول نقض نشود .

۳- قانون سوم روباتیک: یک روبات باید از خودش محافظت کند ، مشروط بر اینکه قانون اول یا دوم نقض نشوند .

آسیموف بعدها قانون دیگری به این قوانین سه گانه اضافه کرد ، و از آنجائیکه این قانون از همه مهمتر بود و باید در بالای لیست قرار می گرفت، نام آنرا قانون صفرم روباتیک‌( که دراین حالت قانون اول روباتیک فقط تا زمانی معتبر است که قانون صفرم را نقض نکند .)

قانون صفرم روباتیک : یک روبات نباید (‌از طریق اقدام یا عدم اقدام خود ) باعث صدمه دیدن نژاد بشر( یاکره زمین ) شود یا اجازه دهد به این نژاد (‌یا کره زمین ) آسیب برسد.

روباتهای خیالی کتابها و فیلمهای سینمایی در واقع شمشیری دولبه هستند ، از یک طرف آنها با تحرک قوه تخیل افراد باعث تقویت پایه های تکنولوژیک آینده به خصوص در میان جوانان و نوجوانان نسل امروز می شوند. چه بسیار از متخصصان فعلی این رشته که با دیدن دلربایی های C3Po در فیلم جنگ ستارگان ، یا کارهای محیر العقول T800در فیلم ترمیناتور مسیر آینده خود را انتخاب کرده اند . ازر سوی دیگر ، داستانها و فیلمهای علمی – تخیلی مرز انتظارات مردم از روباتها را تا حد زیادی بالا می برند . وقتی مردم با تصوری که از روباتهای فیلمهای علمی – تخیلی دارند با یک روبات امروزی روبرو می شوند بکلی سرخورده می شوند (‌البته مقایسه‌روبات تغییر شکل دهنده فیلم ترمیناتور با یک روبات جوشکار براستی دور از انصاف است !) اما وقتی خودتان با تلاش بسیار یک روبات ساده می سازید ، حداقل متوجه می شوید که چه راه درازی تا روبات نابغه‌ای مانند R2D2 در پیش است .

روباتهای آینده :

رؤیاهای آینده از دل دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی امروز بیرون می آید . ژاپنی ها سالهاست روی روباتهای انسان نما – آدمک مصنوعی – کار می کنند آسیمو(Asimo) و P5 از محصولات شرکت هوندا نوید خدمتکارهای روباتیک آینده را می دهند . (‌Aibo) از شرکت سونی طرفداران حیوانات خانگی را ذوق زده کرده است . بحثهای عمیق تر روباتیک ،‌ مانند هوش مصنوعی ، روشهای ارتباط انسان و روبات ، و روباتهای دارای رفتارهای اجتماعی ، سالهاست درمراکز مهم تحقیقاتی دنیا – مانند MIT دنبال می شود .

شکل ۱-۹- آیبو- سگ روباتی سونی ،‌آسیمو، روبات انسان نمای هوندا

در سالهای اخیر با ظهور تکنولوژیهای جدیدی مانند نانوتکنولوژی (Nanotechnology) ، روباتیک نیز دچار تحولات عمیقی شده است .امروزه به جای ساختن ماشینهای بزرگ و پیچیده محققان در فکر ایجاد انبوهی از ماشینهای ریز و ساده هستند که بتوانند مانند یک پیکر واحد عمل کنند ( آیا انسان نیز از تعدادزیادی سلول ساده ساخته نشده است ؟) از طرف دیگر ، محققان امروزی در پی ساختن روباتهایی هستند که بتوانند از در مواجهه با محیط خود تکامل پیدا کرده و به موجودات یشرفته تری تبدیل شوند.

شکل ۱-۱۰- نانو روبات ها

نکته‌اصلی در این میان نحوه برخورد جامعه‌انسانی با این تحولات است . قدرت بیشتر یعنی مسئولیت بیشتر ( یا قدرت انهدام بیشتر ) شاید همین دغدغه های انسانی و اجتماعی بود که آسیموف را به تدوین چهار قانون اساسی روباتیک واداشت و این قوانین چنین در میان اهل فن محترم شمرده می شوند. هرگز فراموش نکنید که :‌روباتها در نهایت ابزارهایی ( هر چند فوق العاده پیچیده )بیش نیستند ، و مسئولیت استفاده صحیح از این ابزار بر عهده ما انسانهاست .

فصل دوم :

مقدمه‌ای بر مکانیک

مفاهیم اساسی مکانیک

مکانیک علم مطالعه نیروهای عمل کنند ه در یک ماشین ( یا سیستم ) است نیرو (‌Force) حاصل یک عمل فیزیکی است ، و باعث انجام کار (‌work) می شود وقتی چیزی را هل می‌دهید بر آن نیرو وارد می کنید و همین باعث انجام کار ( جابجایی جسم ) می شود (شکل۲-۱) وقتی جسمی را حرکت می دهید در واقع در حال اضافه کردن انرژی (‌energy) آن هستید .

شکل ۲-۱ – نیرو

حرکت نوع حاصی از انرژی است که به آن انرژی جنبشی ((kinetic energy گفته می شود ؛ همین انرژی جنبشی است که حتی در صورت قطع اعمال نیرو باعث ادامه حرکت جسم می شود ( شکل۲-۲)

اگر نیرویی مخالف حرکت جسم وجود داشته باشد ، آن جسم تاابد به حرکت خود ادامه خواهد داد. اما دردنیای واقعی همیشه اصطکاک( friction) وجود دارد ، که باعث کند شدن حرکت اجسام و در نهایت تقویت آنها می شود .

در مطالعه سیستمهای مکانیک ( که موضوع این فصل است ) با دو نوع کمیت روبرو خواهیم شد که شناخت دقیق آنها ضروری است . اولین نوع از کمیت ها همان عددهایی است که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم : طول یک شیء چقدر است ؟ پختن یک کیک چقدر زمان می برد؟ به این نوع از کمیت ها ، کمیت بدون بعد یااسکالر ( Scalar) گفته می شود. اما کمیت های دیگری نیز وجود دارند که برای توصیف آنها به بیش از یک عدد نیاز داریم : وقتی درباره حرکت یک جسم صحبت می کنیم ، علاوه بر مقدار حرکت باید جهت آن را نیز مشخص کنیم به این نوع از کمیت ها ، کمیت جهت دار یا بردار(‌vector) می گویند.

شکل ۲-۲- انرژی جنبشی

انرژی

انرژی توانایی انجام کار است . انرژی ماهیت مادی ندارد ، حتی نور و الکتریسیته نیز خود انرژی نیستند بلکه آنها دارای انرژی هستند . انرژی بر دو نوع است جنبشی ( Kinetic) و پتانسیل (Potential) انرژی جنبشی انرژی جسم در حال حرکت است . که به مقدار جرم و سرعت آن بستگی دارد انرژی پتانسیل چسم به واسطه موقعیت آن نسبت به یک نقطه مرجع است (‌انرژی جسم در ارتفاع، فنر فشرده شده ، و انرژی ذخیره شده در مواد شیمیایی همگی انرژی پتانسیل هستند ) انرژی های جنبشی و پتانسیل می توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

قبل از اینکه بتوانیم درباره انرژی و نحوه محاسبه آن بیشتر صحبت کنیم ، باید با چند کمیت فیزیکی دیگر ، واحدهای اندازه گیری و روشهای نمایش ریاضی آنها آشنا شویم .

واحدهای اندازه گیری

مکانیک یکی از شاخه های فیزیک است ، به همین دلیل با اندازه گیری و واحدهای اندازه گیری سروکار دارد . سیستم جهانی اندازه گیری سیستم متریک SI، است که اکنون در تمام کشورهای دنیا پذیرفته شده است ، اما در این کتاب اغلب از سیستم انگلیسی (یااینچی) استفاده کرده ایم برای آشنایی با رابطه این واحدها و ضرایب تبدیل آنها به پیوست مراجعه کنید .

مکان :

برای اینکه بتوان در مورد یک جسم صحبت کرد ، باید دانست که در چه مکانی قرار دارد . مکان (Position)یک جسم ازطریق انتخاب یک سیستم مختصات (‌که می تواند دو بعدی یا سه بعدی باشد ) بیان می شود . مکان دارای واحد خاصی نیست ، ولی اغلب کمیتهای فیزیکی دیگر دارای رابطه‌مستقیم با مکان (‌یا تغییر مکان ) جسم می باشند.

زمان :t

ثانیه: s

در تمام سیستمهای اندازه گیری رایج، واحد زمان ثانیه (‌secod) است همه ما با مفهوم ثانیه آشنا هستیم ، و بصورت رومزه با آن سروکار داریم ، اما تعریف علمی و استاندارد ثانیه در سیستم SI‌عبارت است از : زمان ۷۷۰/۶۳۱/ ۱۹۲/۹ نوسان اتم تحریک شده سزیوم ۱۳۳.

طول :I

متر :m

که بنام فاصله distance نیز شناخته می شود . عبارت است از فاصله‌دو نقطه در فضا در سیستم SI طول به عنون مسافتی که نور در ثانیه طی می کند تعریف شده است.

جرم :m

کیلوگرم: kg

جرم (mass) توده ذاتی است که جسم از آن ساخته می شود وقتی جرم در یک میدان جاذبه قرار ‌گیرد، نیرویی به آن وارد می شود که به آن وزن (weigth)می گویند توجه داشته باشید که جرم ذاتی جسم است و درهیچ حالی صفر نمی شود، در حالیکه وزن تأثیر میدان جاذبه بر جسم است و می تواند در شرایط خاصی صفر شود . واحد استاندارد جرم در سیستم SI استوانه‌ای به جرم یک کیلوگرم از جنس پلاتین – ایریدیوم است . که در فرانسه نگهداری می شود ، و همه نمونه های استاندارد جرم از روی آن کپی می شوند. متوجه شده‌اید که جرم بر خلاف سایر کمیت های فیزیکی دیگر به کمک پدیه های عمومی فیزیکی ( که در تمام جهان قابل سنجش هستند ) سنجیده نمی شود؛ مدتهاست دانشمندان به دنبال راهی برای تعریف واحد جرم بصورت کمیتی قابل اندازه گیری در تمام جهان هستند ، ولی هنوز به نتیجه‌دلخواه نرسیده اند .

هر جسم دارای ابعاد فیزیکی در تمام جهات فضا است ، که جرم آن بطور یکنواخت یا غیر یکنواخت در این محدوده پخش شده است اما برای هر جسم نقطه‌ای وجود دارد که به نظر می رسد جرم آن بصورت یکنواخت در اطراف نقطه توزیع شده است به این نقطه مرکز جرم ((center of mass جسم گفته می شود . مرکز جرم یک جسم می تواند ( بسته به شکل جسم ) داخل جسم یا خارج آن قرار داشته باشد . مرکز جرم نقطه‌ای است که به نظر می رسد تمام جرم جسم در این نقطه متمرکز شده است .

سرعت: V

متر بر ثانیه :

سرعت Velocity یکی از واحدهای فرعی است که از واحدهای اصلی مشتق می شود واحدهای فرعی کمیت جدیدی را تعریف نمی کنند، بلکه رابطه بین کمیت های اصلی را نمایش می دهد سرعت عبارتست از مقدار تغییر مکان در واحد زمان ، برای مثال سرعت ، ۳m/s یعنی جسم در هر ثانیه ۳ متر جابجا می شود وقتی یک جسم در حال حرکت است به حرکت خود ادامه خواهد داد مگر اینکه نیروی دیگری بر آن وارد شود این قانون اول حرکت نیوتن است ، که به صورت کلی زیر بیان می شود:

وضعیت یک جسم ساکن یا در حال حرکت یکنواخت تغییر نمی کند، مگر اینکه نیرویی خارجی به آن اعمال شود .

سرعت از کمیتهای برداری است یعنی علاوه بر مقدار دارای جهت نیز هست اگر جسم بتواند فقط در یک بعد ( روی یک خط راست ) حرکت کند ، حرکت آن دو جهت بیشتر نخواهد داشت . شکل ۲-۳ را ببینید به خطی که جسم می تواند در امتداد آن حرکت کند محور (axis)‌می گویند ، که این محور معمولاً‌محور X‌نامیده می شود .

شکل ۲-۳- حرکت از روی خط راست ؛ حرکت یک بعدی

از آنجائیکه در حرکت روی خط راست ، جسم فقط روی محور X می تواند حرکت کند ، سرعت آن بصورت زیر محاسبه خواهد شد .

که در آن (‌حروف یونانی دلتا )‌نشان دهنده مقدار تغییرات است .

اگر جسم بتواند در دو بعد ( یک صفحه ) حرکت کند ، حرکت آن دارای جهت های بیشمار خواهد بود ( شکل ۲-۴) را ببینید ) در اینجا دو محور به نامهای x,y وجود دارد که جسم می توند د رامتداد آنها حرکت کند مکان (‌یا مختصات ) هر نقطه در صفحه بصورت زوج ( x,y) نمایش داده می شود . که x‌و y به ترتیب فاصله‌آن نقطه از مبدأ مختصات (‌محل تقاطع محورها ) روی محورهای Y,X هستند و.

وقتی یک جسم در صفحه از نقطه‌ای به نقطه دیگر می رود جابجایی آن روی هر دو محور اتفاق خواهد افتاد شکل (۲-۵)

میزان جابجایی یک نقطه در صفحه ‌بر حسب جابجایی آن روی محورها ، از فرمول زیر محاسبه می‌شود

و سپس سرعت جسم مانند قبل بدست می آید:

شکل ۲-۴- فضای دو بعدی – صفحه

شکل ۲-۵- حرکت در صفحه : حرکت دو بعدی

اجسام می توانند درسه بعد (‌فضا) نیز حرکت کند ، که در این حالت هم حرکت آنها دارای جهت های بیشمار خواهد بود .شکل ۲-۶ را ببینید برای مشخص کردن حرکت در فضای سه بعدی به سه محور بنامهای z , y, x نیاز داریم و مختصات هر نقطه در فضا به صورت سه گانه x,y,z)) نمایش داده می شود که z,y,x به ترتیب فاصله آن نقطه از مبدأ مختصات روی محورهای Z,Y,X هستند .

میزان جابجایی یک نقطه در فشا بر حسب جابجایی آن روی محورها ، از فرمول زیر بدست می‌آید:

و سرعت آن نیز مانند قبل محاسبه می شود :

شکل ۲-۶ – فضای دو بعدی – صفحه

شتاب: a

متر بر مجذور ثانیه :m/s^۲

شتاب ( acceleration) نیز یکی از واحدهای فرعی است شتاب عبارتست از مقدار تغییر سرعت در واحد زمان . برای مثال ۳m/s^۲ یعنی سرعت جسم در هر ثانیه ۳ متر بر ثانیه افزایش می یابد . شتاب نیز کمیتی برداری است ، که علاوه بر مقدار دارای جهت نیز هست .

نیروی جاذبه در واقع نوعی شتاب است ، چون میدان جاذبه باعث می شود تا سرعت سقوط اجسام لحظه به لحظه بیشتر شود .شتاب جاذبه زمین m/s^۲ ۸۰۶۶۵/۹ است ( که معمولاً در محاسبات m/s^۲ ۸/۹ در نظر گرفته می شود )‌وقتی یک جسم از حالت سکون شروع به سقوط می کند سرعت آن بعد از یک ثانیه به m/s^۲ ۸/۹ می رسد .

و بعد از چهار ثانیه سرعت آن به مقدار قابل توجه ۳۹.۲m/s خواهد رسید ( و این یعنی متجاوز از ۱۴۰ کیلومتر بر ساعت )

اما مسافتی که جسم در حال سقوط آزاد بر حسب زمان طی می کند ، از فرمول زیر بدست می‌آید:

جسمی که از حالت سکون سقوط آزاد می کند ، بعد از یک ثانیه مسافتی معادل ۴.۹m طی خواهد کرد:

و این جسم بعد از چهار ثانیه ( در حالیکه به سرعت ۱۴۰ کیلومتر بر ساعت رسیده )‌مسافتی معادل ۱۵۶.۸m را طی کرده است .

نیرو :F

نیوتن m/s^۲× N=kg

نیرو (‌Force) بصورت جرم ضرب در شتاب a×F=m ، تعریف می شود واحد نیرو در سیستم SI به افتخار آیزاک نیوتن دانشمند انگلیسی که قوانین سه گانه وی در حرکت اساس فیزیک کلاسیک را تشکیل می دهند نیوتن Newton نامگذاری شده و با N‌نمایش داده می شود قانون اول نیوتن را در قسمتهای قبل دیدید ، قانون دوم حرکت نیوتن ،که رابطه نیرو و حرکت را توصیف می کند،؛ بصورت زیر بیان می شود :

تغییر حرکت ( شتاب ) در راستای اعمال نیرو صورت می گیرد، و مقدار آن با جرم جسم و نیروی وارد شده متناسب است .

قانون سوم حرکت نیوتن نیز ، که درباره‌عمل و عکس العمل است بصورت زیر بیان شده است :

برای هر عمل یک عکس العمل وجود دارد ، مساوی و در جهت مخالف آن

اگر به جسمی به جرم یک کیلوگرم بطور پیوسته نیرویی معادل یک نیوتن وارد‌آید ، با شتاب ثابت و یکنواخت ۱.۰m/s^۲ به حرکت در خواهد آمد :

اندازه حرکت:

کیلوگرم متر بر ثانیه :m/s×kg

اندازه حرکت (momentum): شباهت زیادی با نیرو دارد و بصورت جرم ضرب در سرعت v×p=m ، تعریف می شود .

انرژی :E

ژول m^۲/s^۲ ×j=kg

در ابتدای همین فصل دیدید که انرژی energy‌ را بصورت نیرو ضرب در مسافت d×E=F ، تعریف کردیم . از همین جا می توان واحد اندازه گیری انرژی را به سادگی به دست آورد .

واحد انرژی در سیستم SI به افتخار دانشمند فرانسوی ژول ( Joule) نامگذاری شده و بصورت نیوتن متر (Nm) نیز بیان می شود .

انرژی جنبشی :KE

گفتیم که انرژی بر دو نوع است : جنبشی و پتانسیل

انرژی جنبشی kinetic energy انرژی جسم در حال حرکت است که به جرم و سرعت آن بستگی دارد . برای محاسبه‌انرژی جنبشی یک جسم از فرمول زیر استفاده می شود :

همانطور که می بینید ، انرژی جنبشی با مجذور سرعت متناسب است این بدان معناست که با دو برابر شدن سرعت جسم انرژی جنبشی آن چهار برابر خواهد شد. به همین دلیل است اجسام پرسرعت حتی اگر جرم کمی داشته باشد ( مانند گلوله تفنگ) بسیار خطرناک هستند.

انرژی پتانسیل :PE

انرژی پتانسیل Potential energy اانرژی نهفته در جسم به واسطه موقعیت آن نسبت به یک نقطه مرجع است وقتی یک جسم از سطح زمین بالا برده می شود ، انرژی پتانسیل در آن ذخیره می شود . این انرژی پتانسیل بصورت زیر محاسبه می شود :

RE=mgh

انرژی فنر فشرده شده ، و انرژی ذخیره شده در مواد شیمیایی از انواع دیگر انرژی پتانسیل هستند انرژی های جنبشی و پتانسیل می توانند به سادگی یکدیگر تبدیل شوند

ماشینهای ساده

بعد از شناخت مفهوم اساسی مکانیک ، یعنی نیرو، باید سراغ وسیله اعمال نیرو برویم ، ساده ترین مکانیزم اعمال نیر ماشین ساده ( simple machine) نام دارد . یک ماشین ساده با تغییر در فاکتورهای مکانیکی ، انجام کارهای دشوار ( و گاه غیر ممکن – مانند بلند کردن یک اتومبیل با نیروی بازو ) را تسهیل می کند. اهمیت ماشینهای ساده در آن است که پیچیده ترین ماشینها(‌حتی روبات ها ) نیز از ماشینهیا ساده تشکیل می شوند . انواع مختلفی از ماشینهای ساده و جود دارد که در این بخش به آنها آشنا خواهید شد .

قدرت ساختاری :

مهندسان مکانیک ساعتها و روزهای متمادی صرف می کنند تا سازه های خود را بیشترین قدرت و استحکام ساختاری طراحی کرده و بسازند. ما در اینجا همه این تلاشها را در یک جمله‌برای شما خلاصه می کنیم : مثلث منبع قدرت و استحکام است .

اجازه دهید این موضوع را کمی بیشتر بشکافیم ، و نشان دهیم که مثلث چگونه به استحکام سازه کمک می کند .

مثلث و مربع

هر سازه مکانیکی دارای قدرت و استحکام حاصی است که از شکل سازه و نحوه اعمال نیروها به آن ناشی می شود حتی یک سازه‌کاغذی اگر نیروها از جهت مناسب به آن وارد شوند ، می تواند استحکام زیادی از خود نمایش دهد برای درک بهتر این موضوع دو سازه‌مربعی و مثلثی شکل ۲-۷ را ببینید .

شکل ۲-۷- قدرت سازه ها

در هر دو سازه میله ها به وسیله لولا به هم متصل شده اند ، و اتصالات بطور کامل قابلیت حرکت دارند اگر درست در وسط ضلع بالایی مربع یک فشار عمودی وارد کنید ، این شاخه نیروی وارده را به دو ضلع عمودی منتقل کرده و نیرو از آنجا به ضلع پایینی وارد می شود. از آنجائیکه میله ها در مقابل نیروی فشاری (Comperssion) مقاوم هستند ، سازه‌مربعی بخوبی فشار را تحمل می کند. اما اگر محل وارد کردن نیرو از نقطه‌وسط به سمت یکی از اضلاع عمودی جابجا شود (‌یا جهت آن کاملاً عمود نباشد ) ، نیرو به لولاها منتقل شده و سازه مربعی فرو می ریزد . پیداست که سازه مربعی در مقابل نیروهای جانبی پایداری ندارد.

اما در سازه مثلثی هر نیرویی از طریق اضلاع کناری به قاعده مثلث منتقل شده و این ضلع را تحت کشش قرار می دهد از آنجائیکه میله ها در مقابل نیروی کششی ( Tersion) بسیار مقاوم هستند سازه مثلثی هر نوع نیرویی را به بخوبی تحمل خواهد کرد بخوبی دیده یم شود که سازه‌مثلثی پایداری بسیار بالایی دارد و در هیچ حالتی فرو نخواهد ریخت (‌البته تا زمانی که محور لولاها در مقابل نیرو مقاومت کنند و خرد نشوند )

برای نمونه وقتی دو تسمه فلزی را با پرچ به هم متصل می کنید ، مقاومت سازه در اثر ایجاد مثلثهای مخفی است که در آن پایدار خواهند شد . مقاومت سازه های ساختمانی که در آنها ازبادبند استفاده شده نیز در اثر وجود همین مثلثهای مخفی است شکل ۲-۸ را ببینید .

شکل ۲-۸- مثلثهای مخفی در سازه های مقاوم

یکی دیگر از سازه های مقاوم دایره است ، که نمونه‌آنرا در گنبدها ، قوسها و تخم مرغ دیده‌اید .نوع دیگری از نیرو که در اینجا فقط به آن اشاره میکنیم ، نیروی برشی (shear) است مانند نیرویی که قیچی به کاغذ وارد می کند تمامی انواع نیروها – فشاری ،‌کششی ، برشی – به جسم تنش ( Stress) وارد می کنند .

اهرم

ماشین ساده دیگری که مزیت مکانیکی ایجاد میکند، اهرم ( lever) است اهرم دارای سه بخش عمده است و بازوی محرک، بازوی مقاوم ، و تکیه گاه . در شکل ۲-۱۲ ساده ترین نوع اهرم ( که به اهرم نوع اول معروف است ) را مشاهده می کنید در این نوع اهرم تکیه گاه بین نیروی محرک و نیروی مقاوم قرار دارد .

شکل ۲-۱۲- اهرم نوع اول

با وجود پیچیدگی بیشتر ، محاسبات ریاضی اهرم از سطح شیبدار ساده تر است . بازوی محرک (d_E) فاصله بین تکیه گاه تا نقطه‌اعمال نیروی محرک (E) ، و بازوی مقاوم (d_R) فاصله‌بین تکیه گاه تا نقطه‌اثر نیروی مقاوم (R) است . اگر d_E بزرگتر از d_R باشد ؛ مزیت مکانیکی اهرم از یک بزرگتر است ؛ بعبارت دیگر ، مزیت مکانیکی اهرم بصورت زیر محاسبه می شود :

در شکل ۲-۱۳ یک اهرم نوع دوم را می بینید . در این نوع اهرم نیروی مقاوم بین نیروی محرک و تکیه گاه قرار دارد در این نوع اهرم مزیت مکانیکی همیشه بیشتر از یک است .

شکل ۲-۱۳- اهرم نوع دوم

شکل ۲-۱۴ یک اهرم نوع سوم را نشان می دهد . در این نوع اهرم نیروی محرک بین نیروی مقاوم و تکیه گاه قرار دارد . در این نوع اهرم مزیت مکانیکی همیشه کمتر از یک است . ساعت انسان یک اهرم نوع سوم است ، که در آن آرنج تکیه گاه ، مچ دست محل نیروی مقاوم و عضله‌ساعد محل اهمال نیروی محرک است .

شکل ۲-۱۴- اهرم نوع سوم

چرخ و گشتاور

چرخ (Wheel) یکی از بزرگترین اختراعات بشر است . چرخ یک ماشین ساده است که برای غلبه بر اصطکاک بکار می رود . در شکل ۲-۱۵ یک چرخ و نیروهای وارد بر آن را مشاهده می کنید . نیرویی که به محور چرخ وارد شده ،‌در محل اتصال چرخ و زمین به زمین اعمال می شود فاصله‌بین محور چرخ و محل اعمال نیروی چرخ به زمین ، شعاع چرخ(r) نامیده می شود.

شکل ۲-۱۵- چرخ

به خطی که از مرکز چرخ به محل اتصال چرخ با زمین کشیده شده ، دقت کنید ؛ این خط شباهت زیادی به یک اهرم نوع اول یا دوم دارد . اما جالب است که تکیه گاه و نقطه‌اعمال نیروی محرک روی هم منطبق هستند . با اینکه طول بازوی محرک این ماشین صفر است ، اما چرخ همچنان می چرخد . اگر نیروی محرک به محیط چرخ اعمال شود ، بازوی مقاوم صفر خواهد شد . (‌چون تکیه گاه و محل اثر نیروی مقاوم یکی می شوند ) وقتی یکی از عوامل مؤثر در حل معادله اهرم صفر شود ، حل آن غیر ممکن خواهد شد . پس چطور باید معادله چرخ را حل کرد؟ برای حل این مشکل نیروی جدیدی بنام گشتاور را معرفی می‌کنیم . گشتاور (torque) نیروی چرخی است که حول یک نقطه می چرخد، و با حرف یونانی نمایش داده می شود. گشتاور بصورت نیرو ( F) ضرب در طول بازوی اعمال نیرو (d) تعریف می شود:

همانطور که از فرمول بالا می توان دید ، واحد اندازه گیری گشتاور نیوتن متر () است .

قرقره

قرقره(Pulley) یک ماشین ساده است که از چرخ برای تغییر دادن جهت نیرو و ایجاد مزیت مکانیکی استفاده می کند . قرقره ساده ( که آنرا در شکل ۲-۱۶ می بینید ) دارای مزیت مکانیکی یک است ، چون مقدار جابجایی جسم (‌نیروی مقاوم ) به همان اندازه مقدار جابجایی در سمت نیروی کشنده (‌نیروی محرک )‌است .

شکل ۲-۱۶- قرقره‌ساده

علت استفاده از قرقره ساده تغییر دادن جهت نیرو است چون معمولاً اعمال نیرو به سمت پایین (‌کشیدن ) ساده تر از اعمال نرو به سمت بالا ( هل دادن ) است

برای اینکه قرقره دارای مزیت مکانیکی بزرگتر از یک شود ، باید میزان جابجایی نیروی محرک را بیشتر از نیروی مقاوم کنیم . برای این منظور می توان از قرقره متحرک استفاده کرد ( شکل ۲-۱۷) در قرقره متحرک بجای ثابت بودن خود قرقره ، یکی از طنابها ثابت است ونیروی مقاوم مستقیماً به قرقره متصل می شود. در این حالت قرقره شبیه اهرم نوع دوم ( نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک ) عمل می کند که مزیت مکانیکی آن همیه از یک بیشتر است . درقرقره متحرک برای جابجا کردن جسم به میزان یک متر بایستی طناب دو متر کشیده شود ( یعنی مزیت مکانیکی آن ۲ است )

شکل ۲-۱۷- قرقره‌متحرک

با ترکیب قرقره های ثابت و متحرک می توان به مزیتهای مکانیکی بیشتر از ۲ نیز دست یافت . در شکل ۲-۱۸ یک قرقره مرکب با مزیت مکانیکی ۳ نشان داده شده است .

چرخ دنده و زنجیر

چرخ دنده ( gear) چرخی است که با محیط دندانه دار که باعث می شود هنگام درگیری با چرخ دنده های دیگر نلغزد . چرخ دنده معمولاً با چرخ دنده های دیگر یا میله دندانه دار ،درگیر می شود (شکل ۲-۱۹) چرخ دنده ها برای انتقال نیرو یا گشتاور از یک محور به محور دیگر بکار می روند .

شکل ۲-۱۸- قرقره‌ مرکب

شکل ۲-۱۹- چرخ دنده و زنجیر

در این حالت سیستم چرخ دنده ها بصورت یک اهرم دوار عمل می کند. که مزیت مکانیکی آن از تقسیم شعاع چرخ دنده ها بدست می آید.

در عمل بجای استفاده از شعاع چرخ دنده ، در محاسبه مزیت مکانیکی یک سیستم چرخ دنده از تعداد دنده ها استفاده می شود . چون بسادگی می توان نشان داد که تعداد چرخ دنده های یک چرخ دنده با شعاع آن متناسب است .

بدین ترتیب:

که در آن B,A تعداد دنده های دو چرخ دنده هستند .‌گاهی ( بویژه در زمانی که با میله دندانه دار سروکارداریم ) بجای تعداد دنده ها از محیط چرخ دنده ها نیز استفاده می شود :

یکی از کاربردهای مهم چرخ دنده ها تغییر دادن سرعت چرخش است . که این کار معمولاً‌توسط دو (‌یا چند ) چرخ دنده هم محور که تعداد دنده های متفاوتی دارند ، صورت می گیرد.

برای انتقال نیرو بین دو چرخ دنده که تماس فیزیکی ندارند از زنجیر (Sprocket) استفاده می شود زنجیر می تواند دندانه دار باشد ( زنجیر دو چرخه ) یا برای انتقال نیرو اصطکاک استفاده کند ( تسمه پروانه ).

مفصلهای پیچیده

با اینکه مفصلهای چرخشی ، خمشی و لغزشی کارایی و کاربردهای زیادی دارند ، اما گاهی نوع حرکت بگونه‌ای است که باید از مفصلهای پیچیده تر برای اتصال قطعات متحرک به یکدیگر استفاده کرد در این قسمت چند مفصل پیچیده را معرفی میکنیم .

توپی :

توپی (ball and socket) یکی از مهمترین مفصلهای مرکب است . در مفصلهای ساده مانند چرخشی و خمشی ، دو قطعه مفصل نسبت به یکدیگر دارای یک حرکت ثابت و ساده هستند ، اصطلاحاً گفته می شود که این مفصلها دارای یک درجه‌آزادی هستند . توپی تشکیل می شود از یک کره صیقلی فولادی ( بخش متحرک مفصل ) که در یک حفره با همان ابعاد ( بخش ثابت مفصل ) قرار گرفته است ، و هر بازوی مفصل به یکی از این دو قطعه متصل می شود ( شکل ۲-۲۵) توپی حرکت در چند بعد را فراهم می آورد . و دارای دو درجه‌آزادی است .مفصل شانه و لگن حاضر نمونه هایی از توپی در انسان است .

شکل ۲-۲۵- انواع مفصلهای توپی

مشکل مهم توپی آن ست که اصطکاک در این مفصل بالا است چون ( برای جلوگیری از جدا شدن قطعات مفصل (‌کره و محفظه نگهدارنده آن باید کاملاً با یکدیگر بچسبند )

مفصل یونیور سال

یکی دیگر از مفصلهای مرکب – که د رواقع از ترکیب دو مفصل چرخشی ساده تشکیل شده – مفصل یونیورسال (‌universal) است ( شکل ۲-۲۶)

قطعه اصلی در مفصل یونیورسال محور صلیبی شکل آن است ، که هر بازوی این صلیب به یکی از مفصلهای چرخشی متصل شده و امکان حرکت در جهات مختلف را فراهم می آورد . مفصل یونیورسال نیز دارای دو درجه‌آزای است یکی از معروفترین کاربردهای مفصل یونیورسال در انتقال حرکت از جعبه دنده اتومبیل به دیفرانسیل است که به افتخار ریاضیدان ایتالیایی جرونیمو کاردانو – کاردان (Cardan) نامیده شده است .

شکل ۲-۲۶- مفصل یونیورسال

مشکل اصلی مفصل یونیورسال ارتعاش آن در سرعتهای بالا ست اگر دو قطعه مفصل یونیورسال در یک امتداد باشند ؛ مشکلی پیش نمی آید .اما از انجائیکه مفصل یونیورسال اساساً برای انتقال حرکت در دو صفحه مختلف بکار می رود ، چنین موقعیتی کمتر پیش می آید در این حالت مفصل منحنی های پیچیده‌ای در فضا رسم میکند. که در سرعتهای بالا باعث ارتعاش آن خواهد شد . برای حذف ارتعاش در سرعتهای بالا نوع ویژه‌ای از مفصل یونیورسال طراحی شده است که به مفصل سرعت ثابت Constant velocity) معروف است

مفصل فنری

یکی از مفصلهای خاصی که می تواند حرکات پیچیده‌ای در فضا تولید کند ( و دارای درجات آزادی متفاوت باشد )‌مفصل فنری ( Spring) است مفصل فنری ساختمان نسبتاً ساده‌ای دارد که در آن دو بازوی مفصل توسط یک فنر به یکدیگر متصل شده اند .(شکل۲-۲۷)

شکل ۲-۲۷- مفصل فنری

تغییر شکل حرکت

اغلب منابع تولید قدرت مکانیکی ( مانند موتورها ) حرکت دورانی تولید می کنند ولی بسیاری پیش می آید که به انواع دیگری از حرکت نیاز داریم که باید آنرا از طریق مکانیزمهای خاص تویلد کنیم در این بخش می خواهیم درباره مکانیزمهای تغییر دهنده شکل حرکت صحبت کنیم .

شکل ۲-۴۸- ضامن باعث جلوگیری از حرکت معکوس می شود

مکانیزمهای با یک نقطه اتصال

مکانیزمهای با یک نقطه‌اتصال ماشینهای ساده‌ای هستند که بسادگی جهت حرکت را عوض می کنند مثلا، اهرم می‌تواند حرکت رو به پایین را در جهت مقابل به حرکت رو به بالا تبدیل کند و بالعکس