משהו תמורת כלום?
לום מאפשר להרים אבן ריצוף שלעולם לא הייתם מצליחים להרים בידיים. מגבה מאפשר לאדם אחד להחזיק מכונית באוויר. מערכת גלגלות מאפשרת לבנאי למשוך לבנים במעלה קיר ביד אחת. כל אחד מאלה הוא מכונה פשוטה: מתקן שיש בו מעט חלקים נעים או אין בו חלקים נעים בכלל, ושמשנה את הגודל או את הכיוון של כוח.
המספר שמתאר כמה מכונה עוזרת הוא היתרון המכני שלה: העומס שהיא מרימה חלקי הכוח שאתם מפעילים. יתרון של 4 פירושו שעומס של 40 ניוטון דורש כוח מופעל של 10 ניוטון בלבד.
המנוף
מנוף הוא מוט קשיח שמסתובב סביב ציר שנקרא נקודת משען. מה שחשוב הוא לא רק כמה חזק כל כוח דוחף, אלא גם באיזה מרחק מנקודת המשען הוא פועל. ההשפעה הסיבובית, מומנט הכוח, היא הכוח כפול המרחק הזה. המנוף מאוזן כשמומנטי הכוח בשני הצדדים שווים.
אז הזיזו את נקודת המשען לכיוון העומס. הצד של העומס מתקצר והצד של הכוח המופעל מתארך, וכוח מופעל קטן הרחק מנקודת המשען מאזן עומס גדול שקרוב אליה. ארכימדס ניסח את הכלל הזה לפני יותר מאלפיים שנה.
הגלגלת
גלגלת קבועה אחת משנה רק את כיוון המשיכה: מושכים למטה כדי להרים למעלה, באותו כוח. הוסיפו גלגלת שעולה יחד עם העומס, העבירו את החבל הלוך ושוב בין שתי קבוצות הגלגלות, והעומס נתלה על כמה קטעי חבל בבת אחת. כל קטע נושא חלק שווה. כשיש ארבעה קטעים, כל אחד מחזיק רבע מהעומס, והיד שלכם על הקצה החופשי מחזיקה רק חלק אחד.
נסו: בחרו גלגלות במכונה ושנו את יתרון מכני צעד אחר צעד מ־1 עד 4. בחרו כוחות בהצגת הכוחות והשוו כמה העומס עולה לעומת כמה מושכים את קצה החבל.
גלגלי שיניים
גלגל שיניים קטן שמניע גלגל שיניים גדול הוא מנוף שלעולם לא נגמר לו המקום. השיניים דוחפות זו את זו באותו כוח, אבל השיניים של הגלגל הגדול נמצאות רחוק יותר מהציר שלו, ולכן הן מסובבות אותו בפיתול חזק יותר. המחיר הוא מהירות: גלגל שיש לו פי ארבעה שיניים מסתובב פעם אחת על כל ארבעה סיבובים של הגלגל הקטן. ההילוך הנמוך ביותר באופניים משתמש באותה עסקה כדי להעלות אתכם במעלה גבעה.
המחיר: העבודה נשמרת
בכל המקרים היד זזה יותר מהעומס. חצו את הכוח המופעל, ותצטרכו להזיז אותו למרחק כפול; הקטינו אותו לרבע, ותזיזו אותו למרחק גדול פי ארבעה. עבודה, כוח כפול המרחק שהוא עובר, יוצאת זהה בשני הצדדים. זה לא צירוף מקרים. עבודה היא העברה של אנרגיה, ואנרגיה אינה יכולה להיווצר יש מאין, ולכן מכונה יכולה להחליף כוח במרחק, אבל אינה יכולה להוציא יותר עבודה ממה שמוכנס אליה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מציגה מכונות אידיאליות. לגלגלות ולגלגלי שיניים אמיתיים יש משקל וחיכוך, ולכן הכוח המופעל הדרוש תמיד גדול מעט מהערך האידיאלי, וחלק מהעבודה הופך לחום. מנוף אמיתי גם מתכופף מעט, וחבל אמיתי נמתח. הכלל שהעבודה שיוצאת לעולם אינה עולה על העבודה שנכנסת עדיין תקף בדיוק; מכונות אמיתיות פשוט לא מגיעות עד הגבול הזה.