Mashine rahisi ni vifaa vinavyorahisisha kazi kwa kuturuhusu kutumia nguvu kwa umbali mkubwa au kwa kuongeza nguvu. Ni vizuizi vya msingi vya ujenzi wa mashine ngumu zaidi na zimeunganishwa kwa undani katika somo la mwendo katika fizikia. Somo hili linaangazia mashine sita rahisi za kawaida: lever, gurudumu na ekseli, kapi, ndege iliyoinama, skrubu, na kabari, ikichunguza jinsi zinavyobadilisha mwendo na nguvu kufanya kazi.
Kabla ya kupiga mbizi katika maelezo ya mashine rahisi, ni muhimu kuelewa dhana ya kazi. Kazi, katika fizikia, inafafanuliwa kama nguvu inayotumika kwa kitu mara ya umbali ambao inatumika. Kihisabati, inaonyeshwa kama:
\( W = F \times d \)ambapo \(W\) ni kazi, \(F\) ni nguvu inayotumika, na \(d\) ni umbali. Mashine rahisi hubadilisha nguvu inayotumika au umbali ambao nguvu inatumika, kubadilisha jinsi kazi inafanywa bila kubadilisha jumla ya kazi.
Lever ni upau mgumu unaozunguka sehemu isiyobadilika inayoitwa fulcrum. Inafanya kazi kwa kanuni ya muda, ambapo wakati (torque) upande mmoja wa fulcrum inasawazishwa na wakati kwa upande mwingine. Wakati huo ni bidhaa ya nguvu inayotumika na umbali kutoka kwa fulcrum, na imetolewa na:
\( \textrm{Muda mfupi} = F \times d \)Levers zimeainishwa katika aina tatu kulingana na nafasi za jamaa za nguvu inayotumika, fulcrum, na mzigo. Mbegu ni mfano wa kawaida wa lever ya daraja la kwanza, ambapo fulcrum iko kati ya nguvu na mzigo.
Gurudumu na ekseli hujumuisha gurudumu kubwa la kipenyo lililounganishwa na ekseli ndogo ya kipenyo. Kugeuza gurudumu (au axle) husababisha sehemu nyingine kusonga, kwa ufanisi kukuza nguvu au kasi. Faida ya mitambo, ambayo ni sababu ambayo mashine huzidisha nguvu iliyowekwa ndani yake, inategemea radius ya gurudumu na axle kulingana na:
\( \textrm{Faida ya Mitambo} = \frac{\textrm{Radius ya Gurudumu}}{\textrm{Radi ya Axle}} \)Mashine hii rahisi inaonekana katika vifaa kama vile vinu vya upepo na mifumo ya uongozaji gari, inayoonyesha jinsi mwendo wa mzunguko unavyowezeshwa kwa juhudi kidogo.
Pulley ni gurudumu kwenye mhimili iliyoundwa kusaidia harakati ya kamba au kebo. Puli zinaweza kubadilisha mwelekeo wa nguvu inayotumika, mara nyingi kupunguza nguvu inayohitajika kuinua mzigo. Pulley moja iliyowekwa haitoi faida ya mitambo, lakini mfumo wa pulleys (kuzuia na kukabiliana) unaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa nguvu zinazohitajika kuinua vitu vizito kwa kusambaza uzito. Faida ya mitambo ya mfumo wa pulley ni sawa na idadi ya sehemu za kamba zinazounga mkono mzigo:
\( \textrm{Faida ya Mitambo} = \textrm{Idadi ya Sehemu za Kamba za Kusaidia} \)Ndege iliyoelekezwa ni uso wa gorofa ulioelekezwa kwa pembe kwa usawa. Inaruhusu kuinua mzigo kwa urahisi zaidi kwa kueneza kazi kwa umbali mrefu. Kadiri ndege ilivyokuwa ndefu, ndivyo nguvu ndogo inavyohitajika kuinua kitu hadi urefu fulani. Faida ya mitambo ya ndege iliyoelekezwa imedhamiriwa na:
\( \textrm{Faida ya Mitambo} = \frac{\textrm{Urefu wa Kuteleza}}{\textrm{Urefu wa Kuteleza}} \)Kanuni hii inatumika katika njia panda na slaidi, kurahisisha kazi kama vile kupakia bidhaa kwenye lori au kuhamisha samani nzito.
Screw kimsingi ni ndege inayoinama iliyofunikwa kwenye silinda, kubadilisha mwendo wa mzunguko kuwa mwendo wa mstari. Wakati screw inapogeuka, nyuzi hubadilisha nguvu ya mzunguko katika nguvu ya mstari perpendicular kwa screw, hivyo kuinua au kuvuta vitu pamoja. Faida ya mitambo ya screw inategemea nafasi ya nyuzi zake:
\( \textrm{Faida ya Mitambo} = \frac{2\pi \times \textrm{Radius ya Parafujo}}{\textrm{Lami}} \)ambapo lami ni umbali kati ya nyuzi zilizo karibu.
Kabari ni kifaa kinachoundwa na ndege mbili zenye mwelekeo. Inabadilisha nguvu inayotumika kwa mwisho wake mpana kuwa nguvu zinazoendana na nyuso zake zilizoelekezwa. Ukali wa kabari (pembe ndogo kati ya nyuso zake zilizopendekezwa), nguvu kubwa zaidi hufanya perpendicularly. Mashine hii rahisi hutumiwa sana katika kukata na kupasua vitu, kama visu na shoka.
Mashine rahisi huchukua jukumu muhimu katika maisha yetu ya kila siku, hurahisisha kazi kwa kurekebisha mwendo na nguvu. Kuelewa kanuni hizi za kimsingi za kiufundi huweka msingi wa kuchunguza mashine ngumu zaidi na kuzama zaidi katika sayansi ya fizikia. Kwa kujifunza kuhusu jinsi mashine rahisi zinavyofanya kazi, tunapata maarifa kuhusu utendakazi msingi wa ulimwengu unaotuzunguka na kanuni za uhandisi zinazowezesha maisha ya kisasa.
