เครื่องกลอย่างง่าย — 6 ประเภท อัตราได้เปรียบเชิงกล และตัวอย่าง

เครื่องกลอย่างง่ายคืออุปกรณ์พื้นฐานที่เปลี่ยนขนาดหรือทิศทางของแรง เครื่องกลอย่างง่ายแบบดั้งเดิม 6 ประเภทคือ คาน ล้อและเพลา รอก พื้นเอียง ลิ่ม และ สกรู เครื่องเหล่านี้ไม่ได้สร้างพลังงานขึ้นมาเอง ในกรณีอุดมคติ มันเป็นการแลกแรงกับระยะทาง

ถ้าจะจำเพียงแนวคิดเดียว ให้จำข้อนี้ไว้: ใช้แรงเข้าน้อยลง มักต้องแลกกับระยะทางขาเข้าที่มากขึ้น เครื่องจริงยังสูญเสียพลังงานบางส่วนไปกับแรงเสียดทาน จึงทำงานได้แย่กว่าแบบจำลองอุดมคติ

เครื่องกลอย่างง่าย 6 ประเภทมีอะไรบ้าง?

คาน

คานคือแท่งแข็งที่หมุนรอบจุดหมุนซึ่งเรียกว่า fulcrum ตัวอย่างที่พบได้บ่อยคือชะแลง ไม้กระดก และที่เปิดฝาขวด

ล้อและเพลา

ล้อและเพลาคือส่วนที่มีรัศมีใหญ่ต่อกับส่วนที่มีรัศมีเล็กกว่าเพื่อให้หมุนไปด้วยกัน ลูกบิดประตูเป็นตัวอย่างที่คุ้นเคย: การหมุนลูกบิดที่ใหญ่กว่าจะช่วยให้แกนเล็กด้านในหมุนได้

รอก

รอกใช้ล้อที่มีร่องร่วมกับเชือกหรือสายเคเบิล รอกเดี่ยวตรึงอยู่กับที่มีหน้าที่หลักในการเปลี่ยนทิศทางของแรง ส่วนรอกเคลื่อนที่หรือระบบรอกสามารถช่วยลดแรงเข้าที่ต้องใช้ได้ด้วย

พื้นเอียง

พื้นเอียงคือทางลาด แทนที่จะยกวัตถุขึ้นตรง ๆ คุณเคลื่อนมันไปตามความชัน ซึ่งช่วยลดแรงที่ต้องใช้ได้ หากยอมแลกกับเส้นทางที่ยาวขึ้น

ลิ่ม

ลิ่มมีลักษณะเหมือนพื้นเอียงที่เคลื่อนที่ได้ ขวาน มีด และสิ่ว ใช้รูปร่างแบบลิ่มเพื่อเปลี่ยนแรงเข้าหนึ่งแรงให้เป็นแรงที่ผลักวัสดุแยกออกจากกัน

สกรู

สกรูคือพื้นเอียงที่พันรอบทรงกระบอก การหมุนสกรูเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนให้เป็นการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า จึงใช้ยึดวัสดุให้แน่นหรือยกโหลดในอุปกรณ์ เช่น แม่แรงสกรู

อัตราได้เปรียบเชิงกลในเครื่องกลอย่างง่าย

อัตราได้เปรียบเชิงกลเปรียบเทียบแรงออกกับแรงเข้า:

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

ถ้า $\text{MA} > 1$ เครื่องจะช่วยให้ใช้แรงเข้าน้อยลงเพื่อเคลื่อนย้ายโหลดที่มากกว่า แต่นั่น ไม่ได้ หมายความว่าเครื่องสร้างงานเพิ่มขึ้น ในเครื่องอุดมคติ การได้แรงเพิ่มจะสมดุลกับการเสียระยะทาง

คุณอาจอธิบายความสัมพันธ์แลกเปลี่ยนนี้ได้ดังนี้:

• ใช้แรงน้อยลง มักต้องเคลื่อนที่ไกลขึ้น
• ใช้แรงมากขึ้น มักต้องเคลื่อนที่น้อยลง

ความสัมพันธ์แลกเปลี่ยนนี้คือแนวคิดหลักของเครื่องกลอย่างง่าย

ตัวอย่างโจทย์: คาน

สมมติว่าคานยกโหลด $200\ \mathrm{N}$ แขนแรงพยายามยาว $1.2\ \mathrm{m}$ และแขนโหลด ยาว $0.30\ \mathrm{m}$

ถ้าเราถือว่าคานเป็นอุดมคติและไม่คิดน้ำหนักของคานเอง สมดุลของแรงบิดให้ว่า

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

ดังนั้น

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

ดังนั้น แรงเข้า $50\ \mathrm{N}$ สามารถสมดุลกับโหลด $200\ \mathrm{N}$ ได้ในกรณีอุดมคตินี้ แขนแรงพยายามที่ยาวกว่าคือสิ่งที่ทำให้คานได้เปรียบ

อัตราได้เปรียบเชิงกลในกรณีนี้คือ

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

แต่มีเงื่อนไขกำกับอยู่: ปลายคานด้านที่คุณออกแรงต้องเคลื่อนที่ไกลกว่าปลายด้านโหลด เครื่องนี้ลดแรงโดยแลกกับระยะทาง

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยเกี่ยวกับเครื่องกลอย่างง่าย

คิดว่าเครื่องกลอย่างง่ายช่วยลดงานรวมได้ทุกกรณี

ในแบบจำลองอุดมคติ เครื่องกลอย่างง่ายเป็นการกระจายใหม่ระหว่างแรงกับระยะทาง ในเครื่องจริง แรงเสียดทานมักทำให้คุณต้องใส่งานขาเข้า มากกว่า งานขาออกที่เป็นประโยชน์

ใช้อัตราได้เปรียบเชิงกลแบบอุดมคติโดยไม่บอกว่าเป็นกรณีอุดมคติ

ความสัมพันธ์ที่อาศัยเพียงเรขาคณิตจะใช้ได้ชัดเจนก็ต่อเมื่อระบุเงื่อนไขไว้แล้ว รอก สกรู และทางลาดจริงสูญเสียพลังงานไปกับแรงเสียดทาน จึงให้ผลจริงต่ำกว่าค่าที่แบบอุดมคติทำนาย

สมมติว่าเครื่องกลอย่างง่ายทุกชนิดเพิ่มแรงเสมอ

เครื่องยังอาจถูกใช้เพื่อเปลี่ยนทิศทางหรือความเร็วเป็นหลักได้ด้วย ตัวอย่างเช่น รอกเดี่ยวตรึงอยู่กับที่มักมีประโยชน์เพราะทำให้คุณดึงลงด้านล่างแทนการยกขึ้นตรง ๆ

เครื่องกลอย่างง่ายถูกใช้ที่ไหนบ้าง

เครื่องกลอย่างง่ายพบได้ในเครื่องมือช่าง อุปกรณ์ก่อสร้าง ระบบยก ตัวยึด และสิ่งของรอบตัวมากมาย มันสำคัญเพราะเครื่องจักรที่ซับซ้อนกว่าจำนวนมากก็สร้างขึ้นจากแนวคิดพื้นฐานเดียวกันนี้

ถ้าคุณมองเห็นความสัมพันธ์แลกเปลี่ยนระหว่างแรงกับระยะทางในคาน รอก หรือทางลาดได้ คุณก็เข้าใจแก่นของหัวข้อนี้แล้ว

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

พิจารณาทางลาดยาว $4\ \mathrm{m}$ ที่ยกกล่องขึ้นสูง $1\ \mathrm{m}$ โดยไม่คิดแรงเสียดทาน ลองถามว่าทางลาดนี้แลกแรงกับระยะทางอย่างไรเมื่อเทียบกับการยกกล่องขึ้นตรง ๆ การแก้โจทย์แบบนี้จะช่วยให้คุณเห็นแนวคิดเดิมในบริบทใหม่