Đòn bẩy, ròng rọc, mặt phẳng nghiêng: đổi đường dài lấy sức nhẹ

Đòn bẩy, ròng rọc và mặt phẳng nghiêng là ba máy cơ đơn giản giúp con người làm việc nặng bằng sức nhẹ. Cả ba đều theo cùng một quy tắc: muốn được lợi về lực thì phải chịu thiệt về đường đi. Nhấc thùng nước lên cao một mét bằng tay thì nặng, đẩy nó lên con dốc dài bốn mét thì nhẹ hơn, nhưng bạn phải đi xa hơn; tổng công sức bỏ ra không hề giảm.

Quy tắc vàng của máy cơ

Hãy bắt đầu bằng ý quan trọng nhất, vì nó đúng cho cả ba loại máy. Các nhà vật lý đo "công sức" bằng một đại lượng gọi là công:

Công = lực × quãng đường đi theo hướng của lực

Máy cơ đơn giản không tạo ra công. Nó chỉ đổi cách bạn bỏ công ra: dùng lực nhỏ mà đi đường dài, hoặc dùng lực lớn mà đi đường ngắn. Người ta gọi đây là "quy tắc vàng" của cơ học: được lợi bao nhiêu lần về lực thì thiệt bấy nhiêu lần về đường đi. Trong thực tế, ma sát còn lấy đi một phần, nên công bạn bỏ ra luôn nhiều hơn một chút so với công nâng vật.

Ba máy cơ khác nhau ở cách chúng "kéo dài đường đi":

Máy cơ	Cách làm	Ví dụ quanh bạn
Đòn bẩy	Một thanh cứng quay quanh điểm tựa; tay ở xa điểm tựa đi một cung dài	Bập bênh, kéo cắt giấy, cái mở nắp chai, xe cút kít
Ròng rọc	Bánh xe có rãnh cho dây chạy qua; đổi hướng lực hoặc chia nhỏ lực	Cột cờ sân trường, rèm cửa, cần cẩu, giếng kéo nước
Mặt phẳng nghiêng	Thay việc nâng thẳng bằng việc đẩy lên dốc dài	Lối dốc cho xe lăn, ván dắt xe máy lên thềm, đường đèo

Đòn bẩy: ba thứ phải tìm

Mỗi đòn bẩy có ba điểm: điểm tựa (chỗ thanh quay quanh), chỗ đặt lực (chỗ bạn ấn hay kéo), và vật cần nâng. Quy luật cân bằng rất gọn:

Lực của bạn × khoảng cách từ tay tới điểm tựa = sức nặng của vật × khoảng cách từ vật tới điểm tựa

Tay bạn càng xa điểm tựa, lực cần càng nhỏ. Đó là lý do mở ốc bánh xe bằng cờ lê cán dài dễ hơn cán ngắn, và vì sao tay nắm cửa luôn được gắn ở mép xa bản lề.

Bập bênh: đòn bẩy mà ai cũng biết

Một bạn 25 kg và một bạn 50 kg ngồi bập bênh. Muốn cân bằng, bạn nặng phải ngồi gần trục giữa hơn: nếu bạn 25 kg ngồi cách trục 2 m thì bạn 50 kg ngồi cách trục 1 m. Nặng gấp đôi thì ngồi gần gấp đôi. Nhờ vậy mà một em nhỏ có thể bập bênh với bố mẹ.

Ba loại đòn bẩy

Loại	Cái gì ở giữa	Ví dụ	Lợi gì
Loại 1	Điểm tựa ở giữa	Bập bênh, kéo cắt, kìm, xà beng nạy nắp	Lợi lực hoặc lợi đường đi tùy chỗ đặt điểm tựa
Loại 2	Vật ở giữa	Xe cút kít, cái mở nắp chai, mái chèo	Luôn lợi về lực
Loại 3	Lực ở giữa	Cái gắp đá, cần câu, đũa, cánh tay cầm vật	Thiệt về lực nhưng lợi về tốc độ và độ khéo

Đòn bẩy loại 3 nghe như "thiệt", nhưng chính nó giúp đầu cần câu vung nhanh và xa, giúp đũa gắp được hạt lạc. Cánh tay người là đòn bẩy loại 3: cơ bắp tay bám rất gần khuỷu, phải kéo rất mạnh, nhưng bù lại bàn tay di chuyển nhanh và xa.

Đòn bẩy trong nhà nông Việt

Chiếc cối giã gạo đạp chân ở nông thôn xưa là một đòn bẩy loại 1: người đạp ở đầu ngắn, chày ở đầu dài nâng lên rồi rơi xuống cối. Cần vọt lấy nước giếng là một cây sào dài gác trên chạc cây, một đầu buộc gàu, đầu kia buộc đá làm đối trọng: khi kéo gàu đầy nước lên, sức nặng của cục đá làm hộ một phần việc. Câu nói được gán cho Ác-si-mét, "Hãy cho tôi một điểm tựa, tôi sẽ nâng cả Trái Đất", nói lên đúng tinh thần đó, dù chắc hẳn ông không định làm thật.

Ròng rọc: cột cờ sân trường

Mỗi sáng thứ Hai chào cờ, lá cờ được kéo lên nhờ một ròng rọc nhỏ ở đỉnh cột. Bạn kéo dây xuống, lá cờ đi lên. Đó là ròng rọc cố định: bánh xe gắn chặt một chỗ, chỉ đổi hướng lực, không làm lực nhỏ đi. Nhưng đổi hướng đã là quý: kéo xuống dễ hơn nhiều so với trèo lên đỉnh cột, vì bạn dùng được cả sức nặng cơ thể.

Ròng rọc động thì khác: bánh xe treo vào chính vật cần nâng, đi lên đi xuống cùng vật. Vật được treo bởi hai đoạn dây, mỗi đoạn gánh một nửa. Bạn chỉ cần kéo bằng khoảng một nửa sức nặng, nhưng phải kéo dài gấp đôi: muốn vật lên 1 m, bạn kéo 2 m dây.

Ghép nhiều ròng rọc cố định và ròng rọc động lại thành một bộ gọi là palăng. Bộ có bốn đoạn dây đỡ vật thì lực kéo chỉ còn khoảng một phần tư, đường kéo dài gấp bốn. Cần cẩu ở công trường xây dựng, tời kéo thuyền lên bãi, dây kéo buồm trên thuyền buồm đều dùng palăng.

Kiểu ròng rọc	Lực kéo (so với sức nặng vật)	Kéo bao nhiêu dây để vật lên 1 m
1 ròng rọc cố định	bằng	1 m
1 ròng rọc động	khoảng một nửa	2 m
Palăng 4 đoạn dây	khoảng một phần tư	4 m

Con số thật luôn lớn hơn bảng một chút, vì ma sát ở trục bánh xe và vì chính ròng rọc động cũng có sức nặng.

Mặt phẳng nghiêng: con dốc tử tế

Mặt phẳng nghiêng là máy cơ đơn giản nhất: chỉ là một con dốc. Muốn đưa chiếc xe máy nặng lên bậc thềm cao 30 cm, không ai nhấc bổng nó. Người ta đặt một tấm ván dài làm cầu rồi dắt xe lên. Dốc càng dài, càng thoải, lực đẩy càng nhỏ. Bỏ qua ma sát, tấm ván dài 1,2 m cho bậc cao 30 cm sẽ giảm lực cần đẩy xuống còn khoảng một phần tư sức nặng của xe.

Lối dốc cho xe lăn

Người ngồi xe lăn tự đẩy mình lên dốc thì cần dốc thật thoải. Nhiều quy chuẩn xây dựng về công trình tiếp cận cho người khuyết tật, ở Việt Nam và nhiều nước, giới hạn độ dốc lối đi cho xe lăn ở khoảng 1:12, tức là cứ lên cao 1 cm thì dốc phải dài ít nhất 12 cm. Lên một bậc thềm 15 cm cần một con dốc dài khoảng 1,8 m. Đây là mặt phẳng nghiêng phục vụ trực tiếp con người, và là lý do lối dốc ở bệnh viện, trường học trông dài hơn bạn nghĩ.

Đường đèo uốn lượn

Những con đèo ở miền núi phía Bắc không đi thẳng lên đỉnh núi mà uốn lượn qua lại nhiều khúc cua. Mỗi khúc là một đoạn mặt phẳng nghiêng thoải hơn, giúp xe leo dốc mà không cần lực kéo quá lớn. Đổi lại, quãng đường dài hơn nhiều so với đường chim bay.

Con vít và cái nêm: họ hàng của mặt phẳng nghiêng

• Con vít là một mặt phẳng nghiêng quấn quanh một trụ tròn. Mỗi vòng xoay tuốc nơ vít, con vít chỉ tiến vào gỗ một đoạn nhỏ, nhưng với lực ép rất lớn.
• Cái nêm là hai mặt phẳng nghiêng ghép lưng vào nhau. Lưỡi rìu, mũi dao, chiếc chặn cửa bằng cao su đều là nêm: một lực nhỏ đẩy dọc theo nêm biến thành lực lớn tách sang hai bên.

Máy cơ trong cơ thể và trong đồ chơi

Bạn mang theo cả bộ máy cơ trong người. Hàm răng cắn là đòn bẩy. Bàn chân nhón gót là đòn bẩy loại 2, với điểm tựa ở các ngón chân. Răng cửa là cái nêm. Trong phòng đồ chơi, xe cẩu đồ chơi có ròng rọc, cầu trượt là mặt phẳng nghiêng, bập bênh là đòn bẩy. Rất nhiều cỗ máy phức tạp như xe đạp, cần cẩu hay máy khâu thực chất là nhiều máy cơ đơn giản ghép lại với nhau.

Thử làm: đo lực bằng dây chun

Bạn sẽ "thấy" được lực nhỏ đi bao nhiêu khi dùng mặt phẳng nghiêng và ròng rọc, chỉ với một sợi dây chun làm cân.

Chuẩn bị: một sợi dây chun dài, thước kẻ, một hộp bút hoặc hộp nhỏ chứa vài quyển sổ (làm "hàng"), một tấm bìa cứng hoặc thớt dài làm dốc, chồng sách, một ống chỉ rỗng, một móc treo quần áo bằng dây thép, sợi dây dù hoặc dây len.

Phần 1: mặt phẳng nghiêng

1. Buộc dây chun vào hộp. Treo hộp lơ lửng bằng dây chun và đo dây chun dài ra bao nhiêu. Đó là "sức nặng" của hộp, đo bằng xen-ti-mét giãn.
2. Kê tấm bìa thành dốc cao 10 cm. Kéo hộp chậm và đều lên dốc bằng dây chun, đo độ giãn.
3. Làm lại với dốc cao 20 cm, rồi 30 cm. Dốc càng cao (càng gắt) thì dây chun giãn nhiều hay ít?

Phần 2: ròng rọc từ ống chỉ

1. Nhờ người lớn gỡ móc treo, luồn đoạn thép qua lỗ ống chỉ rồi uốn lại để ống chỉ quay tự do. Đây là ròng rọc của bạn.
2. Treo ròng rọc lên tay nắm cửa hoặc thanh ngang chắc chắn. Vắt dây qua ròng rọc, một đầu buộc hộp, đầu kia buộc dây chun. Kéo xuống và đo độ giãn: gần bằng lúc treo trực tiếp không? (ròng rọc cố định)
3. Giờ buộc một đầu dây cố định lên thanh ngang, cho dây vòng xuống qua ròng rọc treo hộp bên dưới, rồi vòng lên. Kéo đầu dây còn lại bằng dây chun. Độ giãn còn bao nhiêu? (ròng rọc động)

Ghi tất cả vào một bảng, rồi tự kiểm tra quy tắc vàng: khi dây chun giãn ít đi một nửa, quãng đường bạn phải kéo có dài gấp đôi không?

An toàn: đầu thép của móc treo có thể nhọn, để người lớn uốn và bọc băng dính. Dây chun kéo căng có thể bật vào mắt, giữ mặt tránh xa và không kéo quá căng.

Câu hỏi thường gặp

Máy cơ đơn giản gồm những loại nào?

Thường kể sáu loại: đòn bẩy, ròng rọc, mặt phẳng nghiêng, bánh xe và trục, cái nêm và con vít. Nêm và vít được coi là biến thể của mặt phẳng nghiêng, còn bánh xe và trục là họ hàng của đòn bẩy.

Vì sao máy cơ đơn giản không giúp tiết kiệm công?

Vì được lợi bao nhiêu lần về lực thì phải thiệt bấy nhiêu lần về đường đi, nên tích của lực và quãng đường, tức là công, không giảm. Do ma sát, công thực tế bỏ ra còn lớn hơn một chút so với khi không dùng máy.

Ròng rọc cố định và ròng rọc động khác nhau thế nào?

Ròng rọc cố định gắn chặt một chỗ, chỉ đổi hướng lực kéo mà không làm lực nhỏ đi, như ở cột cờ. Ròng rọc động di chuyển cùng vật, giúp giảm lực kéo còn khoảng một nửa nhưng phải kéo dây dài gấp đôi.

Ba loại đòn bẩy là gì?

Loại 1 có điểm tựa ở giữa như bập bênh, kéo cắt. Loại 2 có vật ở giữa như xe cút kít, cái mở nắp chai. Loại 3 có lực đặt ở giữa như cái gắp, cần câu, cánh tay người.

Độ dốc lối đi cho xe lăn bao nhiêu là phù hợp?

Nhiều quy chuẩn xây dựng tiếp cận, kể cả ở Việt Nam, giới hạn độ dốc khoảng 1:12, nghĩa là cao 1 phần thì dài ít nhất 12 phần. Khi thiết kế thật, cần theo quy chuẩn hiện hành và hỏi người có chuyên môn.