เครื่องจักรธรรมดาเป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้ทำงานได้ง่ายขึ้นโดยการอนุญาตให้เราออกแรงในระยะทางที่ไกลขึ้นหรือโดยการขยายแรง สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของเครื่องจักรที่ซับซ้อนมากขึ้นและบูรณาการอย่างลึกซึ้งในการศึกษาการเคลื่อนที่ในฟิสิกส์ บทเรียนนี้เน้นที่เครื่องจักรเรียบง่ายคลาสสิกหกเครื่อง ได้แก่ คันโยก ล้อและเพลา รอก ระนาบเอียง สกรู และลิ่ม สำรวจวิธีที่เครื่องจักรเหล่านี้เปลี่ยนการเคลื่อนไหวและแรงในการทำงาน
ก่อนที่จะเจาะลึกถึงลักษณะเฉพาะของเครื่องจักรอย่างง่าย จำเป็นต้องเข้าใจแนวคิดของงานเสียก่อน งานในฟิสิกส์หมายถึงแรงที่กระทำต่อวัตถุคูณด้วยระยะทางที่วัตถุนั้นกระทำ ในทางคณิตศาสตร์จะแสดงเป็น:
\( W = F \times d \)โดยที่ \(W\) คืองาน \(F\) คือแรงที่ใช้ และ \(d\) คือระยะทาง เครื่องจักรธรรมดาจะเปลี่ยนแรงที่ใช้หรือระยะห่างของแรงที่ใช้ เปลี่ยนวิธีการทำงานโดยไม่เปลี่ยนปริมาณงานทั้งหมด
คันโยกเป็นแท่งแข็งที่หมุนรอบจุดคงที่ที่เรียกว่าศูนย์กลาง มันทำงานบนหลักการของโมเมนต์ โดยที่โมเมนต์ (แรงบิด) ที่ด้านหนึ่งของจุดศูนย์กลางสมดุลกับโมเมนต์ที่อยู่อีกด้านหนึ่ง โมเมนต์เป็นผลคูณของแรงที่ใช้กับระยะห่างจากจุดศูนย์กลาง และได้มาจาก:
\( \textrm{ช่วงเวลา} = F \times d \)คันโยกแบ่งออกเป็นสามประเภทขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ของแรงที่ใช้ จุดศูนย์กลาง และน้ำหนักบรรทุก กระดานหกเป็นตัวอย่างคลาสสิกของคันโยกระดับเฟิร์สคลาส โดยที่จุดศูนย์กลางอยู่ระหว่างแรงกับน้ำหนักบรรทุก
ล้อและเพลาประกอบด้วยล้อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าซึ่งติดอยู่กับเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า การหมุนล้อ (หรือเพลา) จะทำให้อีกส่วนหนึ่งเคลื่อนที่ ซึ่งช่วยเพิ่มแรงหรือความเร็วได้อย่างมีประสิทธิภาพ ข้อได้เปรียบทางกลซึ่งเป็นปัจจัยที่ทำให้เครื่องจักรเพิ่มแรงที่จ่ายเข้าไปนั้น ขึ้นอยู่กับรัศมีของล้อและเพลาตาม:
\( \textrm{ข้อได้เปรียบทางกล} = \frac{\textrm{รัศมีของล้อ}}{\textrm{รัศมีของเพลา}} \)เครื่องจักรที่เรียบง่ายนี้สามารถพบเห็นได้ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น กังหันลมและระบบบังคับเลี้ยวของรถยนต์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่แบบหมุนทำได้ง่ายขึ้นโดยใช้ความพยายามน้อยลง
รอกคือล้อบนเพลาที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการเคลื่อนที่ของเชือกหรือสายเคเบิล รอกสามารถเปลี่ยนทิศทางของแรงที่ใช้ ซึ่งมักจะลดแรงที่จำเป็นในการยกของ รอกแบบอยู่กับที่ตัวเดียวไม่ได้ให้ข้อได้เปรียบทางกล แต่ระบบรอก (บล็อกและรอก) สามารถลดแรงที่จำเป็นในการยกของหนักได้อย่างมากโดยการกระจายน้ำหนัก ข้อได้เปรียบทางกลของระบบรอกเท่ากับจำนวนส่วนของเชือกที่รองรับน้ำหนักบรรทุก:
\( \textrm{ข้อได้เปรียบทางกล} = \textrm{จำนวนส่วนของเชือกที่รองรับ} \)ระนาบเอียงคือพื้นผิวเรียบที่เอียงเป็นมุมกับแนวนอน ช่วยให้ยกของได้ง่ายขึ้นโดยกระจายงานในระยะทางที่ไกลขึ้น ยิ่งระนาบเอียงยาวเท่าใด แรงที่จำเป็นในการยกวัตถุให้สูงระดับหนึ่งก็น้อยลงเท่านั้น ข้อได้เปรียบทางกลของระนาบเอียงถูกกำหนดโดย:
\( \textrm{ข้อได้เปรียบทางกล} = \frac{\textrm{ความยาวของการเอียง}}{\textrm{ความสูงของความลาดเอียง}} \)หลักการนี้ถูกนำไปใช้กับทางลาดและสไลเดอร์ ทำให้งานต่างๆ เช่น การบรรทุกสินค้าขึ้นรถบรรทุก หรือการเคลื่อนย้ายเฟอร์นิเจอร์ที่มีน้ำหนักมากทำได้ง่ายขึ้น
โดยพื้นฐานแล้วสกรูนั้นเป็นระนาบเอียงที่พันรอบกระบอกสูบ ซึ่งจะเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น เมื่อหมุนสกรู เกลียวจะเปลี่ยนแรงหมุนเป็นแรงเชิงเส้นที่ตั้งฉากกับสกรู จึงสามารถยกหรือดึงวัตถุเข้าด้วยกัน ข้อได้เปรียบทางกลของสกรูขึ้นอยู่กับระยะห่างของเกลียว:
\( \textrm{ข้อได้เปรียบทางกล} = \frac{2\pi \times \textrm{รัศมีของสกรู}}{\textrm{ขว้าง}} \)โดยที่ระยะห่างคือระยะห่างระหว่างเธรดที่อยู่ติดกัน
ลิ่มเป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยระนาบเอียงสองอัน โดยจะเปลี่ยนแรงที่กระทำต่อปลายด้านกว้างให้เป็นแรงที่ตั้งฉากกับพื้นผิวเอียง ยิ่งลิ่มคมมาก (มุมระหว่างพื้นผิวเอียงน้อยลง) แรงที่มันออกในแนวตั้งฉากก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เครื่องจักรที่เรียบง่ายนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการตัดและแยกวัตถุ เช่น มีดและขวาน
เครื่องจักรที่เรียบง่ายมีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของเรา ทำให้งานต่างๆ ง่ายขึ้นโดยการปรับเปลี่ยนการเคลื่อนไหวและแรง การทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานทางกลเหล่านี้จะเป็นการวางรากฐานสำหรับการสำรวจเครื่องจักรที่ซับซ้อนมากขึ้นและเจาะลึกเข้าไปในวิทยาศาสตร์ของฟิสิกส์ ด้วยการเรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของเครื่องจักรที่เรียบง่าย เราได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานขั้นพื้นฐานของโลกรอบตัวเราและหลักการทางวิศวกรรมที่ทำให้ชีวิตสมัยใหม่เป็นไปได้
