Mesin Sederhana — 6 Jenis, Keuntungan Mekanis & Contoh

Mesin sederhana adalah alat dasar yang mengubah besar atau arah suatu gaya. Enam jenis klasiknya adalah tuas, roda dan poros, katrol, bidang miring, baji, dan sekrup. Mesin sederhana tidak menciptakan energi. Dalam kasus ideal, mesin ini menukar gaya dengan jarak.

Jika Anda mengingat satu gagasan, ingatlah ini: gaya masukan yang lebih kecil biasanya berarti jarak masukan yang lebih besar. Mesin nyata juga kehilangan sebagian energi karena gesekan, sehingga kinerjanya lebih buruk daripada model ideal.

Apa saja 6 mesin sederhana?

Tuas

Tuas adalah batang kaku yang berputar mengelilingi titik tumpu yang disebut fulkrum. Linggis, jungkat-jungkit, dan pembuka botol adalah contoh yang umum.

Roda dan poros

Roda dan poros adalah jari-jari besar yang terhubung ke jari-jari yang lebih kecil sehingga keduanya berputar bersama. Gagang pintu adalah contoh yang akrab: memutar knop yang lebih besar membantu memutar poros kecil di dalamnya.

Katrol

Katrol menggunakan roda beralur dan tali atau kabel. Katrol tetap terutama mengubah arah gaya. Katrol bergerak atau sistem katrol juga dapat mengurangi gaya masukan yang dibutuhkan.

Bidang miring

Bidang miring adalah tanjakan. Alih-alih mengangkat benda lurus ke atas, Anda memindahkannya sepanjang kemiringan, yang dapat mengurangi gaya yang diperlukan jika Anda menerima lintasan yang lebih panjang.

Baji

Baji mirip dengan bidang miring yang bergerak. Kapak, pisau, dan pahat menggunakan bentuk baji untuk mengubah gaya masukan menjadi gaya-gaya yang mendorong material terpisah.

Sekrup

Sekrup adalah bidang miring yang dililitkan mengelilingi silinder. Memutarnya mengubah gerak rotasi menjadi gerak maju, itulah sebabnya sekrup dapat mengikat bahan dengan kuat atau mengangkat beban pada alat seperti dongkrak sekrup.

Keuntungan mekanis pada mesin sederhana

Keuntungan mekanis membandingkan gaya keluaran dengan gaya masukan:

$$\text{MA} = \frac{\text{output force}}{\text{input force}}$$

Jika $\text{MA} > 1$, mesin memungkinkan gaya masukan yang lebih kecil untuk memindahkan beban yang lebih besar. Itu tidak berarti mesin menciptakan usaha tambahan. Pada mesin ideal, pertambahan gaya diimbangi oleh pengurangan jarak.

Anda bisa menyatakan tradeoff itu seperti ini:

• gaya yang lebih kecil biasanya berarti jarak yang lebih besar
• gaya yang lebih besar biasanya berarti jarak yang lebih kecil

Tradeoff itu adalah gagasan utama di balik mesin sederhana.

Contoh soal: sebuah tuas

Misalkan sebuah tuas mengangkat beban sebesar $200\ \mathrm{N}$. Lengan kuasa panjangnya $1.2\ \mathrm{m}$, dan lengan beban panjangnya $0.30\ \mathrm{m}$.

Jika kita menganggap tuas ideal dan mengabaikan berat tuas itu sendiri, keseimbangan torsi memberi

$$F_{\text{in}} d_{\text{in}} = F_{\text{out}} d_{\text{out}}$$

Jadi

$$F_{\text{in}} (1.2) = 200(0.30)$$ $$F_{\text{in}} = \frac{200 \cdot 0.30}{1.2} = 50\ \mathrm{N}$$

Jadi gaya masukan sebesar $50\ \mathrm{N}$ dapat menyeimbangkan beban $200\ \mathrm{N}$ dalam susunan ideal ini. Lengan kuasa yang lebih panjang itulah yang memberi tuas keuntungannya.

Keuntungan mekanis di sini adalah

$$\text{MA} = \frac{200}{50} = 4$$

Tetapi ada syarat yang menyertainya: ujung tuas tempat Anda memberi gaya harus bergerak lebih jauh daripada ujung beban. Mesin mengurangi gaya dengan menukarnya dengan jarak.

Kesalahan umum pada mesin sederhana

Mengira mesin sederhana mengurangi usaha total dalam setiap kasus

Dalam model ideal, mesin sederhana mendistribusikan ulang gaya dan jarak. Pada mesin nyata, gesekan biasanya berarti Anda justru melakukan usaha masukan lebih besar daripada usaha keluaran yang berguna.

Menggunakan keuntungan mekanis ideal tanpa menyebutkan bahwa itu ideal

Hubungan yang hanya didasarkan pada geometri bekerja dengan rapi hanya dalam kondisi yang dinyatakan. Katrol, sekrup, dan tanjakan nyata kehilangan energi karena gesekan, sehingga kinerja sebenarnya lebih rendah daripada prediksi ideal.

Menganggap setiap mesin sederhana selalu melipatgandakan gaya

Sebuah mesin juga dapat digunakan terutama untuk mengubah arah atau kecepatan. Misalnya, katrol tetap sering berguna karena memungkinkan Anda menarik ke bawah alih-alih mengangkat langsung ke atas.

Di mana mesin sederhana digunakan

Mesin sederhana muncul pada perkakas tangan, peralatan konstruksi, sistem pengangkatan, pengikat, dan banyak benda sehari-hari. Mesin sederhana penting karena mesin yang lebih kompleks sering dibangun dari gagasan dasar yang sama.

Jika Anda dapat melihat tradeoff gaya-jarak pada tuas, katrol, atau tanjakan, berarti Anda sudah memahami inti topik ini.

Coba soal serupa

Ambil sebuah tanjakan yang panjangnya $4\ \mathrm{m}$ dan menaikkan sebuah kotak setinggi $1\ \mathrm{m}$. Abaikan gesekan, lalu tanyakan bagaimana tanjakan itu menukar gaya dengan jarak dibandingkan dengan mengangkat kotak lurus ke atas. Menyelesaikan versi ini membantu Anda melihat gagasan yang sama dalam situasi baru.