Máy cơ đơn giản — 6 loại, lợi thế cơ học và ví dụ

Máy cơ đơn giản là những thiết bị cơ bản làm thay đổi độ lớn hoặc hướng của lực. Sáu loại cổ điển là đòn bẩy, bánh xe và trục, ròng rọc, mặt phẳng nghiêng, cái nêm và vít. Chúng không tạo ra năng lượng. Trong trường hợp lý tưởng, chúng đánh đổi lực lấy quãng đường.

Nếu bạn chỉ nhớ một ý, hãy nhớ điều này: lực đầu vào nhỏ hơn thường đồng nghĩa với quãng đường đầu vào lớn hơn. Máy thực tế cũng mất một phần năng lượng do ma sát, nên hoạt động kém hơn mô hình lý tưởng.

6 máy cơ đơn giản là gì?

Đòn bẩy

Đòn bẩy là một thanh cứng quay quanh một điểm tựa gọi là fulcrum. Xà beng, bập bênh và đồ mở nắp chai là những ví dụ quen thuộc.

Bánh xe và trục

Bánh xe và trục gồm một phần có bán kính lớn gắn với một phần có bán kính nhỏ hơn để chúng quay cùng nhau. Tay nắm cửa là ví dụ quen thuộc: xoay núm lớn giúp làm quay trục nhỏ hơn.

Ròng rọc

Ròng rọc dùng một bánh xe có rãnh cùng với dây thừng hoặc cáp. Ròng rọc cố định chủ yếu làm đổi hướng của lực. Ròng rọc động hoặc hệ ròng rọc cũng có thể làm giảm lực đầu vào cần thiết.

Mặt phẳng nghiêng

Mặt phẳng nghiêng là một con dốc. Thay vì nâng vật thẳng lên, bạn di chuyển nó dọc theo một mặt dốc, điều này có thể làm giảm lực cần dùng nếu bạn chấp nhận một quãng đường dài hơn.

Cái nêm

Cái nêm giống như một mặt phẳng nghiêng đang chuyển động. Rìu, dao và đục dùng dạng nêm để biến lực đầu vào thành các lực đẩy vật liệu tách ra.

Vít

Vít là một mặt phẳng nghiêng quấn quanh một hình trụ. Khi xoay, nó biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, vì thế vít có thể ghép chặt vật liệu hoặc nâng tải trong các thiết bị như kích vít.

Lợi thế cơ học trong máy cơ đơn giản

Lợi thế cơ học so sánh lực đầu ra với lực đầu vào:

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

Nếu $\text{MA} > 1$, máy cho phép một lực đầu vào nhỏ hơn di chuyển một tải lớn hơn. Điều đó không có nghĩa là máy tạo thêm công. Trong máy lý tưởng, phần tăng về lực được cân bằng bởi phần giảm về quãng đường.

Bạn có thể diễn đạt sự đánh đổi này như sau:

• lực nhỏ hơn thường đi kèm quãng đường lớn hơn
• lực lớn hơn thường đi kèm quãng đường nhỏ hơn

Sự đánh đổi đó là ý chính của máy cơ đơn giản.

Ví dụ có lời giải: đòn bẩy

Giả sử một đòn bẩy nâng một tải $200\ \mathrm{N}$. Cánh tay đòn của lực tác dụng dài $1.2\ \mathrm{m}$, còn cánh tay đòn của tải dài $0.30\ \mathrm{m}$.

Nếu coi đòn bẩy là lý tưởng và bỏ qua trọng lượng của chính đòn bẩy, cân bằng mômen cho ta

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

Vậy

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

Vậy trong thiết lập lý tưởng này, lực đầu vào $50\ \mathrm{N}$ có thể cân bằng một tải $200\ \mathrm{N}$. Cánh tay đòn lực tác dụng dài hơn chính là điều tạo ra lợi thế cho đòn bẩy.

Lợi thế cơ học ở đây là

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

Nhưng có một điều kiện đi kèm: đầu đòn bẩy phía bạn phải di chuyển xa hơn đầu mang tải. Máy làm giảm lực bằng cách đánh đổi lấy quãng đường.

Những lỗi thường gặp với máy cơ đơn giản

Nghĩ rằng máy cơ đơn giản luôn làm giảm tổng công trong mọi trường hợp

Trong mô hình lý tưởng, máy cơ đơn giản phân bố lại lực và quãng đường. Trong máy thực tế, ma sát thường có nghĩa là bạn thực sự phải thực hiện nhiều công đầu vào hơn công đầu ra có ích.

Dùng lợi thế cơ học lý tưởng mà không nói rõ đó là trường hợp lý tưởng

Các hệ thức chỉ dựa trên hình học chỉ hoạt động gọn gàng khi điều kiện được nêu rõ. Ròng rọc, vít và mặt phẳng nghiêng thực tế bị mất năng lượng do ma sát, nên hiệu quả thực tế thấp hơn dự đoán lý tưởng.

Cho rằng mọi máy cơ đơn giản đều luôn làm tăng lực

Máy cũng có thể được dùng chủ yếu để đổi hướng hoặc tốc độ. Ví dụ, một ròng rọc cố định thường hữu ích vì nó cho phép bạn kéo xuống dưới thay vì phải nâng trực tiếp lên trên.

Máy cơ đơn giản được dùng ở đâu?

Máy cơ đơn giản xuất hiện trong dụng cụ cầm tay, thiết bị xây dựng, hệ nâng, chi tiết ghép nối và nhiều vật dụng hằng ngày. Chúng quan trọng vì các máy phức tạp hơn thường được xây dựng từ chính những ý tưởng cơ bản này.

Nếu bạn nhận ra sự đánh đổi lực–quãng đường trong một đòn bẩy, ròng rọc hoặc con dốc, thì bạn đã hiểu phần cốt lõi của chủ đề này.

Thử một bài tương tự

Xét một mặt phẳng nghiêng dài $4\ \mathrm{m}$ nâng một chiếc hộp lên cao $1\ \mathrm{m}$. Bỏ qua ma sát, hãy xem mặt phẳng nghiêng đánh đổi lực lấy quãng đường như thế nào so với việc nâng chiếc hộp thẳng đứng lên. Giải bài đó sẽ giúp bạn thấy cùng một ý tưởng trong một bối cảnh mới.