для какой цели применяют простые механизмы

Простые механизмы: что это и как они работают

Шесть примитивных устройств, лежащих в основе самых сложных машин.

Что называют «простыми механизмами»

Умение облегчать себе труд с помощью технологий отличает человека от животного. Тысячи лет назад наши предки научились мастерить простые механизмы, которые способны увеличивать усилие, а также изменять направление прикладываемой силы. Принципы их работы лежат в основе любого орудия труда — от садовой лопаты до подъёмного крана.

Простые механизмы — приспособления, служащие для преобразования вектора силы по величине и/или направлению.

Виды простых механизмов

Теперь расскажем, как они работают. В этой статье мы рассмотрим действия идеальных механизмов, в работе которых не учитывается сила трения.

Работа простых механизмов

Наклонная плоскость

Подниматься по пологому склону горы легче, чем карабкаться по отвесной скале. Чем меньше наклон — тем легче его преодолеть. Это нехитрое наблюдение помогло людям создать простой механизм — наклонную плоскость.

Допустим, нам нужно поднять груз на определённую высоту. Конечно, можно сделать это непосредственно:

Правда, если груз большой, приложить достаточную силу будет нелегко. Но если поставить его на лёгкую тележку и вкатывать по наклонной плоскости, то понадобится гораздо меньше усилий.

Чем меньше угол наклона плоскости, тем больше выигрыш в силе.

Чтобы просто поднять груз весом в один килограмм, требуется усилие:

Теперь посмотрим, какое усилие понадобится, чтобы поднять этот груз на один метр, используя наклонную плоскость длиной десять метров:

Использование наклонной плоскости позволило нам выиграть в силе десять раз. Но путь, который нам пришлось пройти с грузом, также увеличился вдесятеро.

С помощью наклонной плоскости удобно не только поднимать грузы. Рассмотрим топор: его лезвие — это клин, боковые поверхности которого сходятся под острым углом, образуя наклонные плоскости. Когда мы вонзаем топор в полено, эти плоскости с огромной силой раздвигают волокна древесины и заставляют полено расколоться.

При ударе сила P вгоняет топор в дерево, и на его лезвие действуют сдавливающие силы F со стороны полена. Проекция каждой из сил F на плоскость симметрии лезвия (AB) равна

Поскольку они действуют с двух сторон, условие равновесия сил таково:

Чем длиннее и острее клин (то есть чем меньше угол), тем меньше может быть P по отношению к 2F. Угол лезвия обычного колуна — около 25°, соответственно сила Р примерно в пять раз меньше, чем 2F. Иными словами, чтобы расколоть полено, нужно приложить в пять раз меньше усилий, чем требуется, чтобы разорвать его.

Люди пользуются топорами уже более 9 000 лет. Гвозди, иглы и ножи работают по тому же принципу.

Клин придуман не человеком, а самой природой: например, клюв дятла легко вонзается в дерево благодаря оптимальной клиновидной форме.

Если свернуть наклонную плоскость в спираль вокруг цилиндра — получится винт.

Впервые описание винта встречается в работах древнегреческого учёного Архита Тарентского, жившего в V–IV веках до нашей эры. Знаменитый Архимед в III веке до нашей эры создал с помощью винта устройство для подъёма воды в оросительные каналы. Винты широко используют для крепления деталей, бурения отверстий и даже в качестве движителя сверхпроходимых шнекороторных вездеходов.

Резьба винта — это наклонная плоскость длиной l и высотой h, свёрнутая в трубочку. Когда мы наворачиваем гайку на болт, мы перемещаем её по наклонной плоскости.

Как и в случае с обычной плоскостью, выигрыш в силе равен отношению h к l, но теперь l рассчитывается по формуле длины окружности: ‍

‍Расстояние между витками называют шагом резьбы. Чем оно меньше, тем длиннее плоскость и больше выигрыш в силе.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72020 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучаются простые механизмы.

Рычаг

Простейший рычаг — это палка, способная вращаться вокруг неподвижной опоры. Принцип рычага используется при работе башенного крана, рычажных весов, кухонных ножниц и даже обычной лопаты. Интересно, что кости в наших конечностях тоже работают как рычаги.

У любого рычага есть точка опоры (О) и два плеча (длины l1 и l2), к которым в точках A и B прикладываются силы.

Вращение рычага зависит от приложенной к нему силы и от длины плеча. Чем больше сила и чем длиннее плечо, тем сильнее вращающее действие. Именно поэтому работать лопатой проще, держа её ближе к концу черенка, а нести груз на согнутой руке легче, чем на вытянутой.

Момент силы — произведение силы на длину плеча.

Рассчитаем моменты силы для обоих тел.

Тела находятся в равновесии, значит,

Чем больше будет длина плеча l2, тем меньшее усилие понадобится, чтобы уравновесить тело A. Так, при достаточной длине рычага можно поднять даже «неподъёмный» груз.

Чтобы просто поднять тело, нужно преодолеть силу тяжести:

Чтобы вычислить силу для поднятия тела рычагом, нужно приравнять соответствующие моменты сил:

Если l1 больше l2 в пять раз, то:

Увеличивая длину плеча, мы выигрываем в силе, но проигрываем в перемещении. Нам удалось уменьшить силу в 5 раз, но чтобы короткое плечо рычага поднялось на 10 сантиметров вверх, придётся опустить длинное на 50 сантиметров.

Частный случай рычага — блок. Так называют колесо с жёлобом, в который вложен трос.

Если ось колеса зафиксировать, к одному концу троса привязать груз, а за другой тянуть — получится простой механизм «неподвижный блок».

На груз действует сила тяжести F = mg. Чтобы удержать верёвку, требуется приложить такую же силу. Никакого выигрыша в величине силы неподвижный блок не даёт. Зато можно менять её направление — тянуть верёвку в любую сторону.

Если прицепить груз к оси колеса, один конец верёвки закрепить, а за другой тянуть — получится подвижный блок, который позволяет выиграть в силе в два раза.

Эффект достигается за счёт того, что блок с грузом поднимают как бы сразу две верёвки: за левую тянет человек, а правую натягивается вбитый в потолок гвоздь.

За выигрыш в силе приходится платить проигрышем в перемещении: чтобы поднять груз на нужную высоту h, понадобится выбрать вдвое большую длину и верёвки: l = 2h.

Ворот

Ворот издревле применяется для поднятия воды из колодца. К барабану, способному вращаться вокруг своей оси, прикреплены верёвка и рукоять. Когда мы вращаем рукоятку — вращается и цилиндр, а верёвка наматывается на него, поднимая или опуская груз.

Ворот действует по тому же принципу, что и рычаг: плечом силы в данном случае становится рукоятка, а плечом груза — радиус барабана. Чем длиннее рукоять относительно радиуса барабана — тем больше выигрыш в силе.

На рисунке длина рукояти равна трём радиусам барабана. Значит, он поднимает ведро с силой, в три раза большей, чем сила наших рук. При этом путь, который проходит рукоять ворота, в три раза длиннее куска верёвки, который в это время накручивается на вал.

Золотое правило механики

Все примеры простых механизмов, которые мы рассмотрели, имеют одно общее свойство, которое называют золотым правилом механики:

Во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении.

Произведение силы на перемещение в механике называется работой и обозначается буквой А:

где α — угол между векторами силы и перемещения. Если направления векторов совпадают, формула работы выглядит проще: A = F × S.

Сэкономить в силе больше, чем проиграть в перемещении — то есть выиграть в работе — не позволяет ни один механизм. Чем меньше силы нужно потратить при подъёме тела по наклонной плоскости, тем длиннее должна быть эта плоскость. Чем меньше сил нужно для воздействия на рычаг — тем длиннее должно быть его плечо.

«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю» — заявил Архимед. Теоретически он мог бы поднять груз, равный нашей планете, выбрав рычаг подходящей длины. Масса земли — примерно 6 000 000 000 000 000 000 000 тонн, в то время как человек в среднем способен поднять груз около 60 килограммов. А значит, плечо силы должно быть больше плеча груза в 100 000 000 000 000 000 000 000 раз. Поэтому чтобы плечо груза сдвинулось хотя бы на один сантиметр, учёному пришлось бы сдвинуть плечо силы на 1000 000 000 000 000 000 км. Даже со скоростью движения в 1 м/с на это ушло бы тридцать тысяч миллиардов лет.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Посмотреть на карте

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Источник

Простые механизмы: что это такое, виды простых механизмов

Содержание:

Простые механизмы – это механические агрегаты, применяемые для направления силы либо её величины. Их называют дающими выигрыш в силе устройствами. Рассмотрим распространённые виды простых механизмов. Кратко коснёмся принципов их функционирования, приносимой пользы, целей применения.

Определение и разновидности

Из уроков истории известны факты применения приспособлений для метания снарядов, перемещения строительных материалов, передачи механической энергии. Они вызывали движения, преодолевающие большие силы, особенно противодействующие им в начале процесса, например, сдвигание тяжелого камня с места. Из предыдущих уроков вы знаете, что такое механическая работа. Она вычисляется как произведение приложенной к телу силы на преодолённое под её действием расстояние: A = F*s.

Природа создана так, что в замкнутой системе получить выигрыш в работе нельзя. Во сколько раз меньшую силу приложите, во столько проиграете в расстоянии – тело придётся перемещать дальше и наоборот. Простые механизмы применяют для того, чтобы развивать силы, равные по модулю и противоположные по значению противодействующим движению силам.

При расчётах величиной сил трения могут пренебрегать.

Простые механизмы в физике

Рычаг, как любой простой механизм, – преобразователь сил.

Блок – равноплечий рычаг. Представлен вращающимся колесом с желобком для верёвки по всей длине окружности. Неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а направляет её. Ось подвижного блока располагается в обоймах, двигается с ними, поэтому позволяет управлять силой. Для получения выигрыша также применяются сдвоенные блоки разного диаметра, насаженные на одну ось.

Ворот – модифицированный двойной блок, ранее применяемый для перетаскивания и подъёма грузов на небольшие расстояния либо высоты. В вороток вставляются длинные спицы, играющие роль большего блока, с радиусом большим, чем у меньшего блока.

В технике также применяют:

Распространены простые механизмы, такие как винт и клин. Пример клина – лезвие колуна. По тыльной стороне инструмента наносятся удары, например, кувалдой, и устройство погружается в древесину, раскалывая её. Чем меньше угол заточки лезвия, тем проще оно входит в дерево.

Клин применяется и для подъёма грузов. Особенность обоих видов клина – значительная сила трения, действующая между телом и боковыми гранями приспособления.

Винт работает по принципу клина, где вместо ударов совершается вращение крупного болта с малым шагом резьбы. Применяется в прессах, колунах, домкратах, при завинчивании крепежей (саморезов).

Примеры простых механизмов в повседневной жизни:

Какие простые механизмы вы знаете и используете в быту кроме названных? К какой категории отнести дверь в автомобиле, тиски, лебёдку?

Источник

Обобщающий урок по теме «Простые механизмы. Назначение и виды»

Разделы: Физика

I. Повторение

1. Что такое сила? (Сила – мера взаимодействия тел, причина изменения скорости тела или его деформации.)

2. Назовите какие вы знаете силы и дайте их определения? (Сила всемирного тяготения – сила, с которой притягиваются все тела во Вселенной.
Сила тяжести – сила, с которой Земля притягивает к себе тело.
Сила упругости – сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение.
Вес тела – это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес.
Сила трения – сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, приложенная к движущемуся телу и направленная против движения. Бывают сила трения покоя, скольжения и качения.
Сила Архимеда – сила, выталкивающая тело из газа или жидкости и равна весу газа или жидкости в объеме этого тела.)

3. Как называется прибор для измерения силы. (Динамометр)

4. Что называется простыми механизмами? (Приборы, служащие для преобразования силы.)

5. Какие вы знаете простые механизмы. (Блок, ворот, рычаг, клин, наклонная плоскость винт.)

II. Работа в группах: проверка домашнего задания, которое давалось заранее.

1 группа «Ворот и клин и их применение».

По рисунку, на котором нарисована демонстрационная модель ворота и клина – дать определение этому устройству, и для чего оно может применяться.

Задание группе: напишите краткий рассказ на тему» Ворот и его применение. Клин и его применение» В рассказе должны быть отражены следующие вопросы:

1) Что такое ворот.
2) Что такое клин. (Клин – как самостоятельный механизм для раскалывания дерева, для заклинивания всевозможных рукояток, для подъема тяжестей, для спрессования в клиновых прессах. Клин – как часть колющих, режущих, рубящих, раскалывающих и роющих инструментов и орудий (игла, шило, гвоздь, стамеска, долото, ножницы, кусачки, топор, лопата, серп), а также рабочие органы машины для обработки почвы, для освоения новых земель и мелиорации (плуги, бороны, культиваторы, бульдозеры и т.д.)
3) Иллюстрированный рассказ или плакат принести в класс.

2 группа «Винт и его применение»

Принести в класс различные винты. Его можно сделать схематично: вырезать из бумаги узкий прямоугольный треугольник и прочертить вдоль его гипотенузы ярку цветную линию. Взять карандаш, навернуть на него этот треугольник (цветной линией наружу) и получите модель винта. Где применяется и для чего?

1. Дайте определение рычага.
2. Что называется плечом силы.
3. Сделайте простой рычаг – возьмите плоскую линейку и положите ее на опору (брусочек), так чтобы она была в равновесии. Вы получили равноплечий рычаг. Положите на один конец рычага монету в 1 рубль, а на другой конец – в 5 рублей. Равновесие рычага нарушится. Оставляя рычаг равноплечим, передвигайте монету в 5 рублей по рычагу так, чтобы добиться равновесие рычага. Измерьте расстояние от центра монеты в 5 рублей до линии опоры и от центра монеты в 1 рубль до той же линии опоры. Сделайте вывод.
4. Сравните это равновесие с равновесием двух человек разного веса, качающихся на доске (качелях), положенной на перекладину. Вы видите, что равновесие наступает только тогда, когда тяжелый человек будет находиться ближе к точке опоры и наоборот, более легкий – дальше.
5. Сформулируйте правило равновесия рычага.
6. Сделайте плакат с рисунками и принесите в класс, подготовьте рассказ о применении рычага
7. Продемонстрировать на опыте то условие, что чем длиннее рычаг, тем легче с ним работать. Если открывать крышку от банки с кофе монетой, то это очень трудно, а если с помощью чайной ложки – это легко.

4 группа «Блоки и их применение».

Каждое из семи чудес света, к которым принадлежит и египетская пирамида Хеопса, была выдающимся техническим достижением своего времени, но оно вызывало восторг и восхищение еще и благодаря художественному совершенству, замечательным образом соединяя в себе искусство и технику. До наших дней сохранилось единственное из этих чудес – пирамида Хеопса в Гизе, – она вместе с тем и древнейшее из них.
Свое название пирамида получила по имени ее создателя – фараона Хеопса. Она – самая большая из египетских пирамид. Ее высота составляет 146,6 м (что примерно соответствует высоте 5-этажного небоскреба), площадь основания 230 х 230 м (на таком пространстве свободно могли бы поместиться все 5 крупнейших соборов мира: собор святого Петра в Риме, собор святого Павла и Вестминстерское аббатство в Лондоне, а также Флорентийский и Миланский соборы), масса 6400 000 тонн.
Свыше 4000 человек – художников, архитекторов, каменотесов и прочих ремесленников – выполняли подготовительные работы около 10 лет. Как сообщает древнегреческий историк Геродот, строительство продолжалось еще лет 20, причем над сооружением гробницы Хеопса трудилось около 8000 человек. Переплыв на лодках на другой берег Нила, мужчины направлялись в каменоломню. Там они вырубали каменную глыбу, обтесывали ее с помощью кувалд, клиньев, пил и буравов и получали камень нужных размеров – со сторонами от 80 см до 1,45 м. Всего на то, чтобы сложить пирамиду, пошло два миллиона камней.
Затем, используя рычаги и канаты, каждая группа устанавливала свой камень на деревянные полозья и по бревенчатому настилу перетаскивала к берегу Нила. Парусная лодка переправляла рабочих и камень (масса каждого до 7,5 тонн) на другой берег. По выложенным бревнами дорогам камень доставляли волоком на строительную площадку.
Тут наступала самая тяжелая работа, поскольку кранов и других подъемных устройств тогда еще не было. По наклонному «въезду» шириной 20 м, построенному из» кирпичей» нильского ила, полозья с каменным блоком при помощи канатов и рычагов затягивали на верхнюю площадку. Там рабочие укладывали блок на указанное архитектором место с точностью до миллиметра.
И, наконец, приходила очередь самой опасной работы: укладки «пирамидона» – верхнего блока высотой 9 м, волоком затянутого по наклонному «въезду». Сколько людей погибло, выполняя эту операцию, мы не знаем. Но через 20 лет возведение корпуса пирамиды, которая состоит из 128 слоев камня, завершилось.

Вопросы к учащимся после прослушивания рассказа:

1. Какие простые механизмы использовались при строительстве пирамиды? (Клин, блок, наклонная плоскость, рычаг)
2. Какие устройства вы бы применили, если бы необходимо было построить пирамиду сегодня? (Грузоподъемный башенный кран)
Грузоподъемный башенный кран – основная машина на строительной площадке – служит для подъема и для перемещения тяжелых грузов. Он представляет собой сочетание простых механизмов.
3. Какие простые механизмы имеются в башенном кране?

IV. Решение задач:

Задача 1 (карточка)
1. На рычаге уравновешены две железные гирьки массами
10 и 200 г. Плечо гирьки массой 100 г равна 10 см. Найти плечо гирьки массой 200 г.

Дополнительно: зад. 32 стр. 63<1>.

13. Почему ручку располагают у края двери? (Чтобы увеличить плечо силы и этим облегчить открывание двери)
14. Поднимет ли стоящий на земле человек весом в 600 Н при помощи неподвижного блока груз, масса которого 72 кг? (Нет, потому что вес груза 700 н, превышает вес тела человека)

V. Домашнее задание: упр 19 стр. 150, ворот и его применение.

Источник