Mesin sederhana adalah alat yang mempermudah pekerjaan dengan memungkinkan kita mengerahkan gaya dalam jarak yang lebih jauh atau dengan memperkuat gaya tersebut. Mereka adalah bahan dasar dari mesin yang lebih kompleks dan terintegrasi secara mendalam ke dalam studi gerak dalam fisika. Pelajaran ini berfokus pada enam mesin sederhana klasik: tuas, roda dan poros, katrol, bidang miring, sekrup, dan baji, mengeksplorasi bagaimana mesin-mesin tersebut mengubah gerak dan gaya untuk melakukan usaha.
Sebelum mendalami secara spesifik mesin sederhana, penting untuk memahami konsep kerja. Usaha, dalam fisika, didefinisikan sebagai gaya yang diterapkan pada suatu benda dikalikan jarak yang ditempuhnya. Secara matematis, itu dinyatakan sebagai:
\( W = F \times d \)dimana \(W\) adalah usaha, \(F\) adalah gaya yang diterapkan, dan \(d\) adalah jarak. Mesin sederhana mengubah gaya yang diterapkan atau jarak penerapan gaya, mengubah cara kerja dilakukan tanpa mengubah jumlah total kerja.
Tuas adalah batang kaku yang berputar mengelilingi titik tetap yang disebut titik tumpu. Cara kerjanya berdasarkan prinsip momen, dimana momen (torsi) pada salah satu sisi titik tumpu seimbang dengan momen pada sisi lainnya. Momen adalah hasil kali gaya yang diberikan dan jarak dari titik tumpu, dan diberikan oleh:
\( \textrm{Momen} = F \times d \)Pengungkit diklasifikasikan menjadi tiga jenis tergantung pada posisi relatif gaya yang diterapkan, titik tumpu, dan beban. Jungkat-jungkit adalah contoh klasik tuas kelas satu, yang titik tumpunya berada di antara gaya dan beban.
Roda dan poros terdiri dari roda berdiameter lebih besar yang dipasang pada poros berdiameter lebih kecil. Memutar roda (atau poros) menyebabkan bagian lainnya bergerak, sehingga secara efektif memperkuat gaya atau kecepatan. Keuntungan mekanis, yaitu faktor yang dengannya suatu mesin mengalikan gaya yang dimasukkan ke dalamnya, bergantung pada jari-jari roda dan poros menurut:
\( \textrm{Keuntungan Mekanis} = \frac{\textrm{Jari-jari Roda}}{\textrm{Jari-jari Poros}} \)Mesin sederhana ini terlihat pada perangkat seperti kincir angin dan sistem kemudi mobil, menunjukkan bagaimana gerakan rotasi difasilitasi dengan sedikit usaha.
Katrol adalah roda pada poros yang dirancang untuk menunjang pergerakan tali atau kabel. Katrol dapat mengubah arah gaya yang diterapkan, seringkali mengurangi gaya yang diperlukan untuk mengangkat beban. Sebuah katrol tetap tidak memberikan keuntungan mekanis, namun sistem katrol (blok dan tekel) dapat secara signifikan mengurangi gaya yang diperlukan untuk mengangkat benda berat dengan mendistribusikan beban. Keuntungan mekanis suatu sistem katrol sama dengan jumlah ruas tali yang menopang beban:
\( \textrm{Keuntungan Mekanis} = \textrm{Jumlah Ruas Tali Penopang} \)Bidang miring adalah bidang datar yang membentuk sudut terhadap horizontal. Hal ini memungkinkan pengangkatan beban lebih mudah dengan menyebarkan pekerjaan dalam jarak yang lebih jauh. Semakin panjang bidang miring maka semakin kecil pula gaya yang diperlukan untuk mengangkat suatu benda ke ketinggian tertentu. Keuntungan mekanik bidang miring ditentukan oleh :
\( \textrm{Keuntungan Mekanis} = \frac{\textrm{Panjang Kemiringan}}{\textrm{Ketinggian Kemiringan}} \)Prinsip ini diterapkan pada jalur landai dan perosotan, menyederhanakan tugas seperti memuat barang ke truk atau memindahkan furnitur berat.
Sekrup pada dasarnya adalah bidang miring yang melilit silinder, mengubah gerak rotasi menjadi gerak linier. Saat sekrup diputar, ulir mengubah gaya rotasi menjadi gaya linier yang tegak lurus sekrup, sehingga mengangkat atau menarik benda. Keuntungan mekanis sekrup bergantung pada jarak ulirnya:
\( \textrm{Keuntungan Mekanis} = \frac{2\pi \times \textrm{Jari-jari Sekrup}}{\textrm{Melempar}} \)dimana pitch adalah jarak antara benang yang berdekatan.
Baji adalah alat yang terdiri dari dua bidang miring. Ia mengubah gaya yang bekerja pada ujung lebarnya menjadi gaya yang tegak lurus terhadap permukaan miringnya. Semakin tajam irisannya (semakin kecil sudut antara permukaan miringnya), semakin besar pula gaya yang diberikan secara tegak lurus. Mesin sederhana ini banyak digunakan dalam memotong dan membelah benda, seperti pisau dan kapak.
Mesin sederhana memainkan peran penting dalam kehidupan kita sehari-hari, membuat tugas menjadi lebih mudah dengan memodifikasi gerakan dan gaya. Memahami prinsip-prinsip dasar mekanika ini meletakkan dasar untuk mengeksplorasi mesin yang lebih kompleks dan mempelajari ilmu fisika lebih dalam. Dengan mempelajari cara kerja mesin sederhana, kita memperoleh wawasan tentang pengoperasian mendasar dunia di sekitar kita dan prinsip-prinsip teknik yang memungkinkan kehidupan modern.
