Mục lục bài viết

1. Máy cơ đơn giản là gì?
2. Các loại máy cơ đơn giản thường gặp
2.1. Mặt phẳng nghiêng
2.2. Ròng rọc
2.3. Đòn bẩy
3. Định luật về công và công thức tính hiệu suất của máy cơ đơn giản
4. Một số bài tập vận dụng về máy cơ đơn giản

Trong thực tiễn khi cần đưa vật lên cao thì ròng rọc, mặt phẳng nghiêng hay đòn bẩy thường được sử dụng để giúp đưa vật lên cao dễ dàng hơn. Ròng rọc, mặt phẳng nghiêng hay đòn bẩy được gọi chung là máy cơ đơn giản.

1. Máy cơ đơn giản là gì?

Máy cơ đơn giản là một loại thiết bị cơ học dùng để thay đổi hướng hoặc độ lớn của lực. Nó là những mô hình đơn giản nhất để sử dụng những lợi thế của cơ học dể tăng độ lớn của lực sản sinh ra và giảm độ lớn của lực tác động lên.

Máy cơ đơn giản thường được sử dụng khi cần di chuyển hay nâng vật nặng lên cao. Khi kéo một vật lên theo phương thẳng đứng cần phải dùng lực có cường độ ít nhất bằng trọng lượng của vật. Nếu kéo trực tiếp vật lên theo phương thẳng đứng thì ta sẽ gặp một vài khó khăn như:

Cần lực lớn (ít nhất bằng trọng lượng của vật)
Không lợi dụng được trọng lượng cơ thể
Tư thế không thuận lợi, dễ ngã
Nếu vật quá nặng thì phải tập trung nhiều người để vận chuyển vật

Lúc này, máy cơ đơn giản sẽ phát huy tác dụng. Hay nói cách khác, các máy cơ đơn giản sẽ giúp con người tiết kiệm sức lực khi làm việc.

Các ý tưởng về máy cơ đơn giản được bắt nguồn từ nhà triết học người Hy Lạp cổ đại Archimedes vào khoảng thế kỷ 3 TCN. Ông đã phát minh ra ba loại máy đơn giản đầu tiên là ròng rọc, đòn bẩy và đinh ốc. Ông cũng nổi tiếng với câu nói: "Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi có thể nhấc bổng Trái Đất lên!".

2. Các loại máy cơ đơn giản thường gặp

2.1. Mặt phẳng nghiêng

Mặt phẳng nghiêng là một trong những loại máy cơ đơn giản thường gặp nhất. Mặt phẳng nghiêng bao gồm một mặt phẳng có các điểm đầu và điểm cuối ở độ cao khác nhau. Mặt phẳng nghiêng giúp con người được lợi về lực; mặt phẳng nghiêng càng ít thì lực tác dụng vào vật để kéo vật lên theo mặt phẳng nghiêng càng nhỏ.

Trong thực tiễn, ta thường ứng dụng mặt phẳng nghiêng khi cần đẩy xe vào nhà khi thềm nhà cao hơn mặt đường, mặt phẳng nghiên được đặt liền với xe tải để giúp vận chuyển đồ lên xe, dựa thang vào tường theo chiều nghiêng để trèo thang đỡ nguy hiểm hơn, v.v

2.2. Ròng rọc

Ròng rọc là một loại máy cơ đơn giản được dùng để nâng vật lên hay hạ vật xuống một cách dễ dàng hơn. Ròng rọc được cấu tạo bởi khối trụ kim loại, giá đỡ, ròng rọc và dây kéo.

Ròng rọc có hai loại chính: ròng rọc cố định và ròng rọc động.

Ròng rọc cố định được cấu tạo bởi một bánh xe có rãnh để vắt dây qua; trục của bánh xe được mắc cố định (có móc treo trên xà), khi kéo dây bánh xe quay quanh trục cố định. Ròng rọc cố định không làm thay đổi độ lớn của lực kéo nhưng đem đến lợi ích về chiều. Khi sử dụng ròng rọc cố định, ta có thể dễ dàng đưa vật lên cao dù đứng cùng vị trí của vật ban đầu. Cường độ lực trong trường hợp này F = P.
Ròng rọc động cũng được cấu tạo bởi một bánh xe có rãnh để vắt dây qua, nhưng trục của bánh xe không được mắc cố định; bánh xe có mang theo móc để treo vật nên khi kéo dây bánh xe vừa quay vừa chuyển động lên cùng vật. Khác với ròng rọc cố định, ròng rọc động không giúp thay đổi về chiều nhưng có thể giúp ta được lợi 2 lần về lực. Tức là trong trường hợp này, cường độ lực F = 1/2 P.

Ứng dụng của ròng rọc trong thực tiễn: Thang máy chuyển động lên xuống là nhờ cơ chế hoạt động của ròng rọc bên trong, sử dụng ròng rọc để đưa vật liệu xây dựng lên cao, sử dụng ròng rọc để lấy nước từ giếng lên, v.v.

2.3. Đòn bẩy

Mỗi đòn bẩy đều có:

Điểm tựa là O
Điểm tác dụng của lực F1 là O1
Điểm tác dụng của lực F2 (lực nâng vật) là O2

Khi OO2 > OO1 thì F2 < F1. Hay nói cách khác, khi dùng đòn bẩy để nâng vật, nếu khoảng cách từ điểm tựa tới điểm tác dụng của lực nâng lớn hơn khoảng cách từ điểm tựa tới điểm tác dụng của trọng lượng vật thì lực tác dụng nhỏ hơn trọng lượng vật.

Như vậy, sử dụng đòn bẩy sẽ giúp ta nâng một vật nặng mà không tốn nhiều sức. Ta chỉ cần tăng khoảng cách một đầu so với điểm tựa thì lực sử dụng để nâng vật đầu bên kia sẽ càng ít đi.

Ứng dụng của đòn bẩy trong thực tiễn: Chơi bập bênh, dùng xà beng để xúc đất lên, dùng búa nhổ đinh, v.v

3. Định luật về công và công thức tính hiệu suất của máy cơ đơn giản

Định luật về công: Khi ta thực hiện công trực tiếp vào một vật thì công đó luôn không đổi khi sử dụng bất kỳ một máy cơ đơn giản nào. Công thực hiện phụ thuộc vào hai yếu tố là lực tác dụng và quãng đường lực đi theo tỉ lệ thuận".

Công thức tính hiệu suất của máy cơ đơn giản: H = Ai.100% / Atp

Trong đó:

H là hiệu suất (%)
Ai là công có ích hay công khi kéo trực tiếp (J), Ai = P.h
Atp là công toàn phần hay công khi sử dụng máy cơ đơn giản (J), Atp = F.I

4. Một số bài tập vận dụng về máy cơ đơn giản

Bài tập 1: Cho các trường hợp sau:

- Một người thợ xây muốn dùng lực khoảng 300N để kéo một thanh gỗ nặng 60kg lên tầng 5 của tòa nhà đang xây

- Một học sinh muốn dùng lực lớn hơn 150N để kéo một thùng sách nặng 10kg từ đầu bàn đến cuối bàn

- Một người nông dân muốn dùng lực khoảng 200N để dịch chuyển một hòn đá 100kg.

Trong mỗi trường hợp nêu trên thì có cần dùng máy cơ đơn giản để dịch chuyển vật không? Nếu có thì phải dùng loại máy cơ đơn giản nào?

Đáp án:

- Người thợ xây cần dùng ròng rọc

- Học sinh không cần dùng máy cơ đơn giản

- Người nông dân cần dùng đòn bẩy

Bài tập 2: Tính lực kéo F trong các trường hợp sau đây. Biết vật nặng có trọng lượng P = 120N (bỏ qua ma sát, khối lượng của ròng rọc và dây)