Máy tính lợi thế cơ học

Lợi thế cơ học (MA) là lực của máy nhân lên bao nhiêu. Đối với một đòn bẩy lý tưởng, MA = chiều dài cánh tay tác dụng chiều dài cánh tay tải - tỷ lệ khoảng cách từ điểm tựa.

MA lớn hơn 1 có nghĩa là cần ít lực hơn để di chuyển tải, nhưng tải sẽ di chuyển một quãng đường ngắn hơn. Các hệ thống thực mất hiệu quả do ma sát; đây là mô hình vật lý lý tưởng.

Ví dụ: một cánh tay đòn dài 3 m và cánh tay đòn chịu tải 0,5 m cho MA = 6 - bạn cần lực bằng 1/6 nhưng phải di chuyển đầu lực xa hơn gấp sáu lần.

Đòn bẩy loại một (điểm tựa giữa lực và tải) và đòn bẩy loại hai (tải giữa điểm tựa và lực) đều tuân theo cùng một tỷ lệ chiều dài cánh tay khi bỏ qua ma sát. Xe cút kít và xà beng là những ví dụ hàng ngày.

Hệ thống ròng rọc bổ sung MA lý tưởng bằng cách đếm các đoạn dây hỗ trợ - một khối và dây buộc có bốn sợi hỗ trợ sẽ cho MA lý tưởng ≈ 4, mặc dù ma sát của dây làm giảm mức tăng trong thực tế.

Ví dụ hoạt động với các giá trị mặc định: cánh tay đòn 3 m, cánh tay tải 0,5 m → MA = 6. Nâng tải trọng 600 N cần lực khoảng 100 N ở tay cầm, nhưng tay cầm di chuyển xa hơn sáu lần so với tải trọng tăng lên.

Xe cút kít là đòn bẩy cấp hai: tải trọng nằm giữa bánh xe (điểm tựa) và tay của bạn (nỗ lực). Tay cầm dài hơn sẽ tăng lực tác động mà không thay đổi nhiều về tay đòn - công thức MA tương tự được áp dụng ngay cả khi điểm tựa nằm ở trục bánh xe. Tay cầm của xe cút kít kéo dài cánh tay đòn trong khi bánh xe vẫn ở gần tải - hình dạng đòn bẩy cấp hai vẫn tuân theo nỗ lực → chiều dài cánh tay đòn.

Ròng rọc phức hợp nhân MA lý tưởng với số đoạn dây đỡ tải, nhưng mỗi ròng rọc sẽ tăng thêm ma sát. Mô hình đòn bẩy 6:1 ở đây giả định cánh tay cứng; các hệ thống chặn và xử lý thực sự thường mang lại 70–85% lợi thế cơ học lý tưởng. Ma sát chặn và xử lý thường để lại 70–85% MA lý tưởng - đòn bẩy sáu trên một trong lớp bỏ qua tổn thất ổ trục mà ròng rọc thực gây ra.

Với cánh tay đòn dài 3 m và cánh tay đòn chịu tải 0,5 m, MA = 6 nghĩa là nâng 300 N cần nỗ lực ~50 N. Nếu ma sát tiêu tốn 20 N, thì bạn thực sự đẩy 70 N - vẫn dễ hơn 300 N, nhưng không phải là mức giảm hoàn hảo gấp sáu lần mà vật lý học dự đoán. Ở MA = 6, tải 600 N cần lực lý tưởng ~100 N — lực ma sát 20 N có nghĩa là bạn cảm thấy ~120 N, vẫn thấp hơn nhiều so với việc nâng trực tiếp 600 N.