Ang mga simpleng makina ay mga device na nagpapadali sa trabaho sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa amin na magpuwersa sa mas malalayong distansya o sa pamamagitan ng pagpapalakas ng puwersa. Ang mga ito ang pangunahing mga bloke ng gusali ng mas kumplikadong mga makina at malalim na isinama sa pag-aaral ng paggalaw sa pisika. Nakatuon ang araling ito sa anim na classical na simpleng makina: lever, wheel at axle, pulley, inclined plane, screw, at wedge, na ginagalugad kung paano nila binabago ang paggalaw at puwersa sa paggawa.
Bago sumisid sa mga detalye ng mga simpleng makina, mahalagang maunawaan ang konsepto ng trabaho. Ang trabaho, sa pisika, ay tinukoy bilang ang puwersang inilapat sa isang bagay na natitiklop ang distansya kung saan ito inilapat. Sa matematika, ito ay ipinahayag bilang:
\( W = F \times d \)kung saan ang \(W\) ay trabaho, \(F\) ay ang puwersang inilapat, at \(d\) ay ang distansya. Binabago ng mga simpleng makina ang puwersang inilapat o ang distansya kung saan inilalapat ang puwersa, na binabago kung paano ginagawa ang trabaho nang hindi binabago ang kabuuang dami ng trabaho.
Ang pingga ay isang matibay na bar na umiikot sa isang nakapirming punto na tinatawag na fulcrum. Gumagana ito sa prinsipyo ng mga sandali, kung saan ang sandali (torque) sa isang bahagi ng fulcrum ay balanse sa sandali sa kabilang panig. Ang sandali ay ang produkto ng puwersang inilapat at ang distansya mula sa fulcrum, at ito ay ibinibigay ng:
\( \textrm{sandali} = F \times d \)Ang mga lever ay inuri sa tatlong uri depende sa mga relatibong posisyon ng puwersang inilapat, ang fulcrum, at ang pagkarga. Ang seesaw ay isang klasikong halimbawa ng first-class lever, kung saan ang fulcrum ay nasa pagitan ng puwersa at ng load.
Ang gulong at ehe ay binubuo ng isang mas malaking diameter na gulong na nakakabit sa isang mas maliit na diameter na ehe. Ang pag-ikot ng gulong (o axle) ay nagiging sanhi ng paggalaw ng kabilang bahagi, na epektibong nagpapalakas ng puwersa o bilis. Ang mekanikal na kalamangan, na kung saan ay ang kadahilanan kung saan ang isang makina ay nagpaparami ng puwersa na inilagay dito, ay nakasalalay sa radius ng gulong at ehe ayon sa:
\( \textrm{Kalamangan sa Mekanikal} = \frac{\textrm{Radius ng Gulong}}{\textrm{Radius ng Axle}} \)Ang simpleng makinang ito ay makikita sa mga device tulad ng mga windmill at car steering system, na nagpapakita kung paano pinapadali ang pag-ikot ng paggalaw nang hindi gaanong pagsisikap.
Ang pulley ay isang gulong sa isang ehe na idinisenyo upang suportahan ang paggalaw ng isang lubid o cable. Maaaring baguhin ng mga pulley ang direksyon ng puwersang inilapat, kadalasang binabawasan ang puwersa na kailangan upang maiangat ang isang karga. Ang isang nakapirming pulley ay hindi nagbibigay ng mekanikal na kalamangan, ngunit ang isang sistema ng mga pulley (block at tackle) ay maaaring makabuluhang bawasan ang puwersa na kinakailangan upang buhatin ang mabibigat na bagay sa pamamagitan ng pamamahagi ng timbang. Ang mekanikal na bentahe ng isang pulley system ay katumbas ng bilang ng mga segment ng lubid na sumusuporta sa pagkarga:
\( \textrm{Kalamangan sa Mekanikal} = \textrm{Bilang ng Mga Sumusuportang Lubid na Segment} \)Ang inclined plane ay isang patag na ibabaw na nakatagilid sa isang anggulo sa pahalang. Nagbibigay-daan ito sa pag-angat ng load nang mas madali sa pamamagitan ng pagkalat ng trabaho sa mas mahabang distansya. Kung mas mahaba ang hilig na eroplano, mas kaunting puwersa ang kailangan upang itaas ang isang bagay sa isang tiyak na taas. Ang mekanikal na bentahe ng isang hilig na eroplano ay tinutukoy ng:
\( \textrm{Mechanical Advantage} = \frac{\textrm{Haba ng Sandal}}{\textrm{Taas ng Incline}} \)Ang prinsipyong ito ay inilalapat sa mga rampa at slide, na nagpapasimple sa mga gawain tulad ng pagkarga ng mga kalakal sa mga trak o paglipat ng mabibigat na kasangkapan.
Ang turnilyo ay mahalagang isang inclined plane na nakabalot sa isang cylinder, na ginagawang linear motion ang rotational motion. Kapag ang turnilyo ay pinihit, ang mga thread ay nagko-convert ng rotational force sa isang linear na puwersa na patayo sa turnilyo, kaya ang pag-angat o paghila ng mga bagay nang magkasama. Ang mekanikal na bentahe ng isang tornilyo ay nakasalalay sa espasyo ng mga thread nito:
\( \textrm{Mechanical Advantage} = \frac{2\pi \times \textrm{Radius ng Screw}}{\textrm{Pitch}} \)kung saan ang pitch ay ang distansya sa pagitan ng mga katabing thread.
Ang wedge ay isang aparato na binubuo ng dalawang hilig na eroplano. Binabago nito ang puwersang inilapat sa malawak na dulo nito sa mga puwersang patayo sa mga hilig na ibabaw nito. Ang mas matalas na kalso (mas maliit ang anggulo sa pagitan ng mga hilig na ibabaw nito), mas malaki ang puwersa na ginagawa nito nang patayo. Ang simpleng makinang ito ay malawakang ginagamit sa pagputol at paghahati ng mga bagay, tulad ng mga kutsilyo at palakol.
Ang mga simpleng makina ay may mahalagang papel sa ating pang-araw-araw na buhay, na ginagawang mas madali ang mga gawain sa pamamagitan ng pagbabago ng paggalaw at puwersa. Ang pag-unawa sa mga pangunahing prinsipyong mekanikal na ito ay naglalatag ng batayan para sa paggalugad ng mas kumplikadong makinarya at pagdedebelop ng mas malalim sa agham ng pisika. Sa pamamagitan ng pag-aaral tungkol sa kung paano gumagana ang mga simpleng makina, nakakakuha tayo ng mga insight sa mga pangunahing operasyon ng mundo sa paligid natin at ang mga prinsipyo ng engineering na ginagawang posible ang modernong buhay.
