Máy cơ đơn giản là những thiết bị giúp thực hiện công việc dễ dàng hơn bằng cách cho phép chúng ta tác dụng lực trên những khoảng cách lớn hơn hoặc bằng cách khuếch đại lực. Chúng là những khối xây dựng cơ bản của những cỗ máy phức tạp hơn và được tích hợp sâu vào nghiên cứu chuyển động trong vật lý. Bài học này tập trung vào sáu máy cơ đơn giản cổ điển: đòn bẩy, bánh xe và trục, ròng rọc, mặt phẳng nghiêng, vít và nêm, khám phá cách chúng thay đổi chuyển động và lực để thực hiện công.
Trước khi đi sâu vào chi tiết cụ thể của các máy cơ đơn giản, điều cần thiết là phải hiểu khái niệm công. Công, trong vật lý, được định nghĩa là lực tác dụng lên một vật nhân với khoảng cách mà nó tác dụng. Về mặt toán học, nó được thể hiện như sau:
\( W = F \times d \)trong đó \(W\) là công, \(F\) là lực tác dụng, và \(d\) là khoảng cách. Các máy cơ đơn giản làm thay đổi lực tác dụng hoặc khoảng cách mà lực tác dụng, thay đổi cách thực hiện công mà không làm thay đổi tổng lượng công.
Đòn bẩy là một thanh cứng quay quanh một điểm cố định gọi là điểm tựa. Nó hoạt động theo nguyên tắc mô men, trong đó mômen (mô men xoắn) ở một bên của điểm tựa cân bằng với mômen ở phía bên kia. Mômen này là tích của lực tác dụng và khoảng cách tới điểm tựa, và nó được tính bởi:
\( \textrm{Chốc lát} = F \times d \)Đòn bẩy được phân thành ba loại tùy thuộc vào vị trí tương đối của lực tác dụng, điểm tựa và tải trọng. Bập bênh là một ví dụ cổ điển về đòn bẩy hạng nhất, trong đó điểm tựa nằm giữa lực và tải trọng.
Bánh xe và trục bao gồm một bánh xe có đường kính lớn hơn được gắn vào một trục có đường kính nhỏ hơn. Quay bánh xe (hoặc trục) làm cho bộ phận kia chuyển động, khuếch đại lực hoặc tốc độ một cách hiệu quả. Lợi thế về mặt cơ học, là hệ số mà nhờ đó máy nhân lên lực đặt vào nó, phụ thuộc vào bán kính của bánh xe và trục theo:
\( \textrm{Lợi thế cơ khí} = \frac{\textrm{Bán kính bánh xe}}{\textrm{Bán kính trục}} \)Chiếc máy đơn giản này được thấy trong các thiết bị như cối xay gió và hệ thống lái ô tô, chứng tỏ chuyển động quay được tạo ra dễ dàng hơn mà không cần tốn nhiều công sức hơn.
Ròng rọc là một bánh xe trên trục được thiết kế để hỗ trợ chuyển động của dây hoặc cáp. Ròng rọc có thể thay đổi hướng của lực tác dụng, thường làm giảm lực cần thiết để nâng vật nặng. Một ròng rọc cố định duy nhất không mang lại lợi thế cơ học, nhưng hệ thống ròng rọc (khối và dây) có thể làm giảm đáng kể lực cần thiết để nâng vật nặng bằng cách phân bổ trọng lượng. Ưu điểm cơ học của hệ ròng rọc bằng số đoạn dây đỡ tải:
\( \textrm{Lợi thế cơ khí} = \textrm{Số đoạn dây hỗ trợ} \)Mặt phẳng nghiêng là mặt phẳng nghiêng một góc so với phương ngang. Nó cho phép nâng tải dễ dàng hơn bằng cách dàn trải công việc trên một khoảng cách dài hơn. Mặt phẳng nghiêng càng dài thì lực cần thiết để nâng vật lên một độ cao nhất định càng ít. Lợi thế cơ học của mặt phẳng nghiêng được xác định bởi:
\( \textrm{Lợi thế cơ khí} = \frac{\textrm{Chiều dài nghiêng}}{\textrm{Chiều cao của nghiêng}} \)Nguyên lý này được áp dụng ở các đoạn đường dốc và cầu trượt, giúp đơn giản hóa các công việc như chất hàng hóa lên xe tải hay di chuyển đồ đạc nặng.
Vít về cơ bản là một mặt phẳng nghiêng quấn quanh một hình trụ, biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng. Khi vặn vít, các ren sẽ chuyển lực quay thành lực tuyến tính vuông góc với vít, do đó nâng hoặc kéo các vật lại với nhau. Ưu điểm cơ học của vít phụ thuộc vào khoảng cách giữa các ren của nó:
\( \textrm{Lợi thế cơ khí} = \frac{2\pi \times \textrm{Bán kính trục vít}}{\textrm{Sân bóng đá}} \)trong đó cao độ là khoảng cách giữa các sợi liền kề.
Nêm là một thiết bị được tạo thành từ hai mặt phẳng nghiêng. Nó biến đổi lực tác dụng lên đầu rộng của nó thành lực vuông góc với bề mặt nghiêng của nó. Nêm càng sắc (góc giữa các bề mặt nghiêng của nó càng nhỏ) thì lực tác dụng theo phương vuông góc càng lớn. Chiếc máy đơn giản này được sử dụng rộng rãi trong việc cắt và tách các vật thể, như dao và rìu.
Máy móc đơn giản đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, giúp thực hiện các công việc dễ dàng hơn bằng cách sửa đổi chuyển động và lực. Hiểu được những nguyên lý cơ học cơ bản này sẽ đặt nền tảng cho việc khám phá những máy móc phức tạp hơn và đào sâu hơn vào khoa học vật lý. Bằng cách tìm hiểu về cách thức hoạt động của những cỗ máy đơn giản, chúng ta hiểu rõ hơn về các hoạt động cơ bản của thế giới xung quanh chúng ta và các nguyên tắc kỹ thuật giúp cuộc sống hiện đại trở nên khả thi.
