Простые механизмы. Рычаг
Введение
С древних времён человек изобретал способы облегчить свой труд. Чтобы поднимать тяжести, перемещать камни или строить пирамиды, люди использовали простые механизмы — приспособления, позволяющие получать выигрыш в силе или изменять направление действия силы.
Даже сегодня, в век машин и электроники, принципы работы простых механизмов остаются основой большинства устройств — от дверных ручек и ножниц до подъемных кранов.
Что такое простые механизмы
Простые механизмы — это устройства, которые помогают выполнять работу, изменяя силу, направление её действия или путь приложения.
Основные виды простых механизмов:
-
рычаг,
-
блок,
-
наклонная плоскость,
-
клин,
-
винт.
Главная цель их применения — сделать выполнение работы удобнее и меньше утомительным, не нарушая закона сохранения энергии:
выигрывая в силе — проигрываем в расстоянии.
Рычаг и правило рычага
Рычаг — это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной точки — опоры.
Рычаг находится в равновесии, если произведения силы на её плечо равны:
F₁ · l₁ = F₂ · l₂
где
F₁ и F₂ — действующие силы,
l₁ и l₂ — расстояния от опоры до точек приложения этих сил.
Это выражение называют правилом рычага.
Из него следует, что меньшую силу можно уравновесить большей, если увеличить её плечо.
Пример:
Чтобы поднять камень весом 300 Н, можно приложить силу 100 Н, если плечо силы в 3 раза длиннее плеча груза.
Рычаг первого рода
В рычаге первого рода точка опоры расположена между действующими силами.
Примеры таких рычагов:
-
качели,
-
ножницы,
-
плоскогубцы,
-
весы.
Одна сила действует с одной стороны от опоры (груз), другая — с другой (приложенная сила).
При этом можно получить выигрыш в силе, если плечо силы больше плеча груза.
Пример:
На качелях легче уравновесить более тяжёлого человека, если сесть дальше от центра.
Рычаг второго рода
В рычаге второго рода точка опоры находится на одном конце рычага, а сила приложена к другому концу.
Груз расположен между опорой и приложенной силой.
Примеры рычагов второго рода:
-
тачка,
-
щипцы для орехов,
-
дверная ручка.
Такой рычаг всегда даёт выигрыш в силе, так как плечо силы больше плеча груза.
Но, как и всегда, чтобы выиграть в силе, приходится терять в расстоянии — точку приложения силы нужно перемещать дальше, чем груз.
Блок
Блок — это колесо с желобом, по которому перекинута верёвка.
Блок позволяет изменить направление действия силы или уменьшить её величину.
Различают два типа блоков:
-
Неподвижный блок — ось блока закреплена, сам он не перемещается.
Он не даёт выигрыша в силе, но изменяет направление действия силы.
Например, чтобы поднять груз вверх, можно тянуть верёвку вниз. -
Подвижный блок — ось блока поднимается вместе с грузом.
Он уменьшает силу вдвое, но тянуть верёвку приходится на большее расстояние.
Опыт с неподвижным блоком
Для опыта возьмём стойку с блоком и верёвку. К одному концу привяжем груз, а за другой будем тянуть вниз.
Наблюдения:
-
Груз поднимается вверх, хотя мы тянем вниз.
-
Сила, с которой тянем, почти равна весу груза.
-
Следовательно, неподвижный блок изменяет направление силы, но не даёт выигрыша в силе.
Вывод:
Главная роль неподвижного блока — удобство: человек может прикладывать усилие в более удобном направлении.
Итоги
-
Простые механизмы изменяют силу, направление или путь её приложения.
-
Рычаг первого рода: опора между силами.
-
Рычаг второго рода: опора на одном конце, груз — посередине.
-
Неподвижный блок меняет направление силы, подвижный — уменьшает её.
-
Во всех случаях сохраняется энергия: уменьшая силу, увеличиваем путь.
Вопросы для самопроверки
-
Что называют простыми механизмами?
-
Приведите примеры простых механизмов.
-
Как формулируется правило рычага?
-
Чем рычаг первого рода отличается от рычага второго рода?
-
Приведите примеры рычага первого рода в быту.
-
Приведите примеры рычага второго рода.
-
Что изменяет неподвижный блок — силу или её направление?
-
Какой блок даёт выигрыш в силе?
-
Почему простые механизмы не уменьшают работу, хотя облегчают труд?
-
Какой принцип лежит в основе действия всех простых механизмов?