Cờ lê dài vặn ốc nhẹ hơn vì thứ làm con ốc xoay là mômen lực, bằng lực của tay nhân với khoảng cách từ tay tới tâm con ốc. Cán dài gấp đôi thì chỉ cần nửa sức để tạo ra cùng một mômen. Cái giá phải trả là tay bạn phải đi một vòng rộng gấp đôi.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Thợ sửa xe đầu ngõ nào cũng có mẹo xỏ thêm một đoạn ống sắt vào cán cờ lê khi gặp con ốc gỉ. Mẹo ấy là một trong những ý tưởng vật lý lâu đời nhất của loài người, và nó có mặt ở khắp nơi trong nhà bạn, từ tay nắm cửa tới đôi đũa.
Mômen lực là gì, nói bằng chuyện cánh cửa
Thử đẩy một cánh cửa ở sát mép xa bản lề, cửa mở nhẹ tênh. Giờ đẩy ở chỗ chỉ cách bản lề một gang tay, bạn phải dùng sức nhiều hơn hẳn. Cùng một cánh cửa, cùng một chiều đẩy, chỉ khác chỗ đặt tay.
Thứ quyết định cánh cửa quay nhanh hay chậm là mômen lực, tức tác dụng làm quay của lực. Nó bằng độ lớn của lực nhân với khoảng cách từ trục quay tới đường tác dụng của lực. Khoảng cách này người ta gọi là cánh tay đòn.
Vì thế người thiết kế luôn đặt tay nắm cửa ở mép xa bản lề. Đặt sát bản lề, cửa vẫn mở được, nhưng ai cũng sẽ thấy cửa nặng một cách khó hiểu.
Chiều đẩy cũng quan trọng. Đẩy vuông góc với mặt cửa thì toàn bộ lực dùng để quay. Đẩy xiên, một phần lực chỉ ép cửa vào bản lề và bị phí đi. Thợ vặn ốc đặt tay vuông góc với cán cờ lê cũng vì lẽ đó.
Đòn bẩy không cho không: được lợi về lực thì thiệt về đường đi
Đòn bẩy giúp bạn dùng lực nhỏ để thắng lực lớn, nhưng nó không tạo ra năng lượng từ hư không. Khi dùng cờ lê cán dài, tay bạn nhẹ đi nhưng phải quay một cung tròn rộng hơn. Công bạn bỏ ra, tức lực nhân quãng đường, vẫn y nguyên.
Đây là quy tắc vàng của mọi máy cơ đơn giản: đòn bẩy, ròng rọc, mặt phẳng nghiêng, con vít. Được lợi bao nhiêu lần về lực thì thiệt bấy nhiêu lần về đường đi. Người xưa dắt xe ba gác lên dốc bằng đường chéo zích zắc thay vì đi thẳng cũng là đang đổi đường dài lấy lực nhẹ.
Câu nói nổi tiếng gắn với Archimedes, đại ý hãy cho một điểm tựa ông sẽ nhấc bổng cả Trái Đất, là để nói đúng điều này. Về lý thuyết đòn bẩy không có giới hạn, chỉ là cánh tay đòn để nhấc Trái Đất sẽ dài không tưởng và đầu bên kia gần như không nhích.
Hiểu quy tắc này giúp bạn khỏi bị lừa bởi những lời quảng cáo kiểu dụng cụ tạo ra sức mạnh gấp nhiều lần mà không mất gì. Luôn có thứ bị đánh đổi.
Ba kiểu đòn bẩy quanh nhà
Người ta chia đòn bẩy thành ba loại theo vị trí của điểm tựa, lực tác dụng và vật cần tác động. Kiểu thứ nhất có điểm tựa nằm giữa, như cái bập bênh, cái kéo, cái kìm. Hai lưỡi kéo xoay quanh con đinh tán ở giữa.
Kiểu thứ hai có vật nằm giữa điểm tựa và tay, như xe rùa chở đất hay cái mở nắp chai. Bánh xe rùa là điểm tựa, thùng đất ở giữa, tay bạn nâng ở đầu cán xa. Kiểu này luôn được lợi về lực.
Kiểu thứ ba có lực nằm giữa, như đôi đũa, cái gắp than, và cả cánh tay của bạn. Cơ bắp tay trước bám vào xương cẳng tay ở rất gần khuỷu, còn vật cầm ở bàn tay thì xa. Kiểu này thiệt về lực nhưng lợi về đường đi và tốc độ: cơ chỉ co một chút mà bàn tay đã đi một quãng dài.
Đó là lý do đôi đũa gắp được hạt lạc rất khéo, và vì sao cầm vật nặng ở xa người thì mỏi hơn hẳn ôm sát vào người. Khi bê thùng nặng, ôm sát bụng là cách rút ngắn cánh tay đòn, đỡ cho cột sống.
Khi đòn bẩy làm hỏng việc: ốc chờn ren và cán gãy
Sức mạnh của cán dài cũng là cái bẫy. Người mới sửa xe hay vặn ốc quá chặt vì tay không cảm thấy nặng, trong khi con ốc đang chịu mômen rất lớn. Kết quả là ren bị kéo toét, bu lông bị vặn đứt, hoặc lốc máy bằng nhôm bị nứt.
Vì vậy với những con ốc quan trọng, thợ lành nghề dùng cờ lê lực, loại có thang đo hoặc tự kêu tách khi đạt đúng mômen nhà sản xuất quy định. Con số đó ghi trong sách hướng dẫn sửa chữa của từng loại xe.
Mẹo xỏ ống sắt nối dài cán cờ lê cũng có rủi ro. Cờ lê được thiết kế cho một mômen nhất định; kéo quá mức nó có thể gãy hoặc trượt khỏi đầu ốc, tay bạn đập vào thứ gì đó cứng. Với ốc gỉ, nên xịt dầu thấm, chờ một lúc rồi mới dùng lực.
Khi dùng lực lớn, kéo cờ lê về phía mình thay vì đẩy ra xa. Nếu trượt, bạn chỉ lùi lại một bước chứ không lao người về phía trước vào máy móc.
Nhìn quanh nhà bằng con mắt đòn bẩy
Vòi nước tay gạt dài dễ vặn hơn vòi tay xoay tròn nhỏ, nên người già và trẻ em dùng thoải mái hơn. Chìa khoá có tay cầm to dễ vặn hơn chìa mỏng. Cây kéo cắt cành có cán dài và lưỡi ngắn, để cành cây nằm sát đinh tán, nơi lực ép lớn nhất.
Khi bạn thấy một việc gì đó quá nặng tay, hãy tự hỏi: có cách nào kéo dài cánh tay đòn không, hoặc đưa vật lại gần điểm tựa hơn không. Câu hỏi đó giải quyết được rất nhiều việc trong nhà.
Ngược lại, khi cần nhanh và khéo hơn là mạnh, đòn bẩy kiểu ba với cánh tay đòn ngắn là lựa chọn của tự nhiên. Chân của loài chạy nhanh, cánh tay của người ném bóng đều thiên về kiểu này.
Câu hỏi để bạn mang theo: con vít và cái tua vít cũng là một kiểu đòn bẩy cuộn tròn, vậy vì sao tua vít cán to lại vặn chặt hơn tua vít cán nhỏ, dù lưỡi giống hệt nhau?
Câu hỏi thường gặp
Mômen lực đo bằng đơn vị gì?
Mômen lực đo bằng niutơn mét, tức lực tính bằng niutơn nhân với cánh tay đòn tính bằng mét. Các con số mômen siết ốc trong sách hướng dẫn sửa xe thường ghi theo đơn vị này.
Ròng rọc có phải là đòn bẩy không?
Ròng rọc cố định giống một đòn bẩy có hai cánh tay bằng nhau, chỉ đổi hướng lực chứ không lợi về lực. Hệ ròng rọc có ròng rọc động thì lợi về lực, đổi lại phải kéo dây dài hơn.
Vì sao mở nắp hũ chặt lại dễ hơn khi lót khăn?
Khăn giúp tay bám nắp tốt hơn nhờ ma sát, và làm vùng cầm to ra một chút nên cánh tay đòn dài hơn. Cả hai cùng giúp tạo mômen lớn hơn với cùng một lực tay.
Bê đồ nặng thế nào để đỡ đau lưng?
Ôm vật sát người, gập gối thay vì gập lưng, và nâng bằng chân. Vật càng xa người thì cánh tay đòn quanh cột sống càng dài, cơ lưng càng phải gồng nhiều.
Ai phát hiện ra nguyên lý đòn bẩy?
Đòn bẩy được con người dùng từ rất lâu trước khi có ai viết thành lý thuyết. Archimedes ở Hy Lạp cổ đại là người được ghi nhận đã phát biểu chặt chẽ nguyên lý đòn bẩy bằng toán học.
