Máquinas simples — 6 tipos, vantagem mecânica e exemplos

Máquinas simples são dispositivos básicos que mudam o valor ou a direção de uma força. Os seis tipos clássicos são a alavanca, a roda e eixo, a polia, o plano inclinado, a cunha e o parafuso. Elas não criam energia. No caso ideal, trocam força por distância.

Se você lembrar de uma ideia, lembre desta: menos força de entrada geralmente significa mais distância de entrada. Máquinas reais também perdem parte da energia por atrito, então têm desempenho pior do que o modelo ideal.

Quais são as 6 máquinas simples?

Alavanca

Uma alavanca é uma barra rígida que gira em torno de um ponto de apoio chamado fulcro. Pés de cabra, gangorras e abridores de garrafa são exemplos comuns.

Roda e eixo

Uma roda e eixo é um raio maior ligado a um raio menor, de modo que ambos giram juntos. Uma maçaneta é um exemplo familiar: girar a parte maior ajuda a girar o eixo menor.

Polia

Uma polia usa uma roda com sulco e uma corda ou cabo. Uma polia fixa muda principalmente a direção da força. Uma polia móvel ou um sistema de polias também pode reduzir a força de entrada necessária.

Plano inclinado

Um plano inclinado é uma rampa. Em vez de levantar um objeto diretamente para cima, você o move ao longo de uma inclinação, o que pode reduzir a força necessária se você aceitar um caminho mais longo.

Cunha

Uma cunha é como um plano inclinado em movimento. Machados, facas e formões usam o formato de cunha para transformar uma força de entrada em forças que separam o material.

Parafuso

Um parafuso é um plano inclinado enrolado em torno de um cilindro. Ao girá-lo, o movimento de rotação se transforma em movimento para a frente, por isso os parafusos podem fixar materiais com firmeza ou erguer cargas em dispositivos como macacos de parafuso.

Vantagem mecânica em máquinas simples

A vantagem mecânica compara a força de saída com a força de entrada:

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

Se $\text{MA} > 1$, a máquina permite que uma força de entrada menor mova uma carga maior. Isso não significa que a máquina cria trabalho extra. Em uma máquina ideal, o ganho em força é compensado por uma perda em distância.

Você pode expressar essa troca assim:

• menos força geralmente significa mais distância
• mais força geralmente significa menos distância

Essa troca é a ideia principal por trás das máquinas simples.

Exemplo resolvido: uma alavanca

Suponha que uma alavanca levante uma carga de $200\ \mathrm{N}$. O braço de esforço tem comprimento de $1.2\ \mathrm{m}$, e o braço da carga tem comprimento de $0.30\ \mathrm{m}$.

Se tratarmos a alavanca como ideal e ignorarmos o peso da própria alavanca, o equilíbrio de torques dá

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

Então

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

Assim, uma força de entrada de $50\ \mathrm{N}$ pode equilibrar uma carga de $200\ \mathrm{N}$ nessa configuração ideal. O braço de esforço mais longo é o que dá à alavanca sua vantagem.

A vantagem mecânica aqui é

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

Mas há uma condição: a sua extremidade da alavanca precisa se mover mais do que a extremidade da carga. A máquina reduz a força em troca de distância.

Erros comuns com máquinas simples

Pensar que uma máquina simples reduz o trabalho total em qualquer caso

Em um modelo ideal, uma máquina simples redistribui força e distância. Em uma máquina real, o atrito geralmente significa que você faz mais trabalho de entrada do que o trabalho útil de saída.

Usar a vantagem mecânica ideal sem dizer que ela é ideal

Relações baseadas apenas na geometria funcionam de forma limpa somente sob condições declaradas. Polias, parafusos e rampas reais perdem energia por atrito, então o desempenho real é menor do que a previsão ideal.

Supor que toda máquina simples sempre multiplica a força

Uma máquina também pode ser usada principalmente para mudar a direção ou a velocidade. Por exemplo, uma polia fixa costuma ser útil porque permite puxar para baixo em vez de levantar diretamente para cima.

Onde as máquinas simples são usadas

Máquinas simples aparecem em ferramentas manuais, equipamentos de construção, sistemas de elevação, fixadores e muitos objetos do dia a dia. Elas são importantes porque máquinas mais complexas muitas vezes são construídas a partir dessas mesmas ideias básicas.

Se você consegue identificar a troca entre força e distância em uma alavanca, polia ou rampa, então já entende o núcleo do tema.

Tente um problema parecido

Considere uma rampa de $4\ \mathrm{m}$ de comprimento que eleva uma caixa em $1\ \mathrm{m}$. Desprezando o atrito, pergunte como a rampa troca força por distância em comparação com levantar a caixa diretamente para cima. Resolver essa versão ajuda você a enxergar a mesma ideia em um novo contexto.