Блок
Введение
На протяжении всей истории человечества люди стремились облегчить физический труд. Ещё древние строители пирамид, поднимая тяжёлые каменные глыбы, использовали простейшие приспособления — брёвна, канаты, рычаги, блоки. Эти устройства называют простыми механизмами, потому что они не требуют источников энергии и основаны на законах механики.
Одним из важнейших простых механизмов является блок — устройство, с помощью которого можно поднимать грузы, изменяя направление и величину силы. Несмотря на простоту, блоки до сих пор используются в строительстве, морском деле, спасательных операциях и даже в спортивных тренажёрах.
Что такое блок
Блок — это колесо с желобом по ободу, через который перекинута верёвка или трос. Ось блока может быть закреплена или двигаться вместе с грузом.
Главная задача блока — изменить направление силы или получить выигрыш в силе, облегчая выполнение механической работы.
Существует два основных вида блоков:
-
Неподвижный блок
-
Подвижный блок
Иногда их соединяют в систему — полиспаст, чтобы получить ещё больший выигрыш.
Неподвижный блок
Если ось блока закреплена и сам блок не перемещается, его называют неподвижным.
Когда один конец верёвки закреплён на грузе, а другой мы тянем вниз, груз поднимается вверх. При этом сила, с которой мы тянем, по величине равна весу груза, но меняет направление.
Пример:
Чтобы поднять ведро из колодца, человек тянет верёвку вниз, а ведро поднимается вверх. Работу он выполняет ту же самую, но в более удобном направлении — вниз, используя вес своего тела.
Вывод:
Неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, но изменяет направление действия силы.
Подвижный блок
Если ось блока движется вместе с грузом, то это подвижный блок.
Один конец верёвки закреплён на опоре, через блок проходит верёвка, и за другой конец мы тянем. В этом случае груз поднимается вместе с блоком.
Так как груз подвешен на двух ветвях верёвки, каждая из которых несёт половину нагрузки, сила, необходимая для подъёма, в два раза меньше веса груза.
F = P / 2
где
F — сила, приложенная к верёвке,
P — вес груза.
Однако для подъёма груза на ту же высоту нужно вытянуть в два раза больше верёвки.
Вывод:
Подвижный блок даёт выигрыш в силе, но проигрыш в расстоянии.
Полиспаст
Для ещё большего выигрыша в силе используют систему блоков, состоящую из неподвижных и подвижных блоков. Такая система называется полиспастом.
Количество верёвочных ветвей, поддерживающих груз, показывает, во сколько раз сила уменьшается.
Например, если груз подвешен на четырёх ветвях, то сила, необходимая для его подъёма, уменьшится в четыре раза.
Важно: какой бы сложной ни была система блоков, работа, совершаемая человеком, остаётся той же (без учёта потерь на трение). Это означает, что энергия сохраняется:
если сила уменьшается, то путь приложения силы увеличивается.
Опыт с блоком
Проведём простой школьный опыт.
Возьмём штатив, блок и груз массой 1 кг. Вес груза равен примерно 10 Н.
-
Сначала поднимем груз без блока — нужно приложить силу около 10 Н вверх.
-
Затем используем неподвижный блок — силу нужно приложить такую же, но вниз.
-
А теперь используем подвижный блок — груз поднимается, если тянуть вниз с силой всего 5 Н, но верёвку нужно вытянуть вдвое больше.
Такой опыт наглядно показывает основной принцип простых механизмов:
чтобы выиграть в силе, нужно проиграть в расстоянии.
Закон сохранения энергии и блок
Любой блок подчиняется закону сохранения энергии:
A₁ = A₂,
где A₁ — работа, совершаемая человеком,
A₂ — работа, совершаемая против силы тяжести.
Это значит, что блок не создаёт энергию, а только перераспределяет её.
Если требуется меньшая сила — придётся действовать на большем пути.
Где применяются блоки
Блоки широко используются:
-
в строительных кранах,
-
лифтах и подъёмниках,
-
в спасательных устройствах,
-
в парусных кораблях,
-
в спортивных залах (в тренажёрах).
Без блоков трудно представить современное хозяйство и транспорт.
Итоги
-
Блок — это простое устройство, состоящее из колеса с желобом.
-
Неподвижный блок изменяет направление силы.
-
Подвижный блок уменьшает силу в 2 раза.
-
Полиспаст даёт больший выигрыш, сочетая оба типа блоков.
-
Принцип действия блоков основан на законе сохранения энергии.
Вопросы для самопроверки
-
Что называют блоком?
-
Чем неподвижный блок отличается от подвижного?
-
Какую пользу даёт неподвижный блок?
-
Почему подвижный блок уменьшает необходимую силу?
-
Как изменяется расстояние, на которое нужно тянуть верёвку, при использовании подвижного блока?
-
Что такое полиспаст и зачем он нужен?
-
Объясните, почему блоки не нарушают закон сохранения энергии.
-
Где можно встретить блоки в быту или технике?
-
Почему говорят: «Выигрывая в силе — проигрываем в расстоянии»?
-
Какие ещё простые механизмы вы знаете, кроме блока?