Для чего нужны механизмы
Простые механизмы.
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: простые механизмы, КПД механизма.
Рычаг.
 |
| Рис. 1. Рычаг |
Из этого соотношения следует, что рычаг даёт выигрыш в силе или в расстоянии (смотря по тому, с какой целью он используется) во столько раз, во сколько большее плечо длиннее меньшего.
Например, чтобы усилием 100 Н поднять груз весом 700 Н, нужно взять рычаг с отношением плеч 7 : 1 и положить груз на короткое плечо. Мы выиграем в силе в 7 раз, но во столько же раз проиграем в расстоянии: конец длинного плеча опишет в 7 раз большую дугу, чем конец короткого плеча (то есть груз).
Неподвижный блок.
Важной разновидностью рычага является блок — укреплённое в обойме колесо с жёлобом, по которому пропущена верёвка. В большинстве задач верёвка считается невесомой нерастяжимой нитью.
На рис. 2 изображён неподвижный блок, т. е. блок с неподвижной осью вращения (проходящей перпендикулярно плоскости рисунка через точку ).
 |
Зачем же тогда вообще нужен неподвижный блок? Он полезен тем, что позволяет изменить направление усилия. Обычно неподвижный блок используется как часть более сложных механизмов.
Подвижный блок.
 |
Следовательно, подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза. При этом, однако, мы в те же два раза проигрываем в расстоянии: чтобы поднять груз на один метр, точку придётся переместить на два метра (то есть вытянуть два метра нити).
 |
Принципиально данное устройство ничем не отличается от подвижного блока: с его помощью мы также получаем двукратный выигрыш в силе.
Наклонная плоскость.
Как мы знаем, тяжёлую бочку проще вкатить по наклонным мосткам, чем поднимать вертикально. Мостки, таким образом, являются механизмом, который даёт выигрыш в силе.
 |
Выберем ось так, как показано на рисунке. Поскольку груз движется без ускорения, действующие на него силы уравновешены:
Проектируем на ось :
Именно такую силу нужно приложить, что двигать груз вверх по наклонной плоскости.
Широко применяемыми разновидностями наклонной плоскости являются клин и винт.
Золотое правило механики.
Простой механизм может дать выигрыш в силе или в расстоянии, но не может дать выигрыша в работе.
т. е. той же величине, что и без использования рычага.
т. е. ту же самую, что и при вертикальном поднятии груза.
Данные факты служат проявлениями так называемого золотого правила механики.
Золотое правило механики. Ни один из простых механизмов не даёт выигрыша в работе. Во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии, и наоборот.
Золотое правило механики есть не что иное, как простой вариант закона сохранения энергии.
КПД механизма.
На практике приходится различать полезную работу A полезн, которую нужно совершить при помощи механизма в идеальных условиях отсутствия каких-либо потерь, и полную работу Aполн,
которая совершается для тех же целей в реальной ситуации.
Полная работа равна сумме:
-полезной работы;
-работы, совершённой против сил трения в различных частях механизма;
-работы, совершённой по перемещению составных элементов механизма.
Так, при подъёме груза рычагом приходится вдобавок совершать работу по преодолению силы трения в оси рычага и по перемещению самого рычага, имеющего некоторый вес.
Полная работа всегда больше полезной. Отношение полезной работы к полной называется коэффициентом полезного действия (КПД) механизма:
КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.
 |
Ускорения нет, поэтому силы, действующие на груз, уравновешены:
Проектируем на ось X:
Проектируем на ось Y:
Полная работа равна произведению силы F на путь, пройденный телом вдоль поверхности наклонной плоскости:
Зачем нужны простые механизмы
Заводы и фабрики, ремонтные мастерские и станции техобслуживания оборудованы прессами, станками, подъемниками и многими приспособлениями различных размеров. С их помощью сгибают, режут, штампуют и обрабатывают металлы, дерево и другие материалы, поднимают грузы. В научно-исследовательских институтах, вычислительных центрах, да и во многих домах есть счетные машины, которые за считанные секунды решают сложные математические задачи. Они считают, сортируют, взвешивают и упаковывают вещи. Велосипеды, мотоциклы, автомобили, поезда, пароходы, самолеты помогают человеку перемещаться на значительные расстояния. Но все эти перечисленные «помощники» человека существовали не всегда.
Уже в далекие времена у людей возникла необходимость иметь приспособления, позволяющие получить выигрыш в силе. Иными словами, приспособления, благодаря которым можно поднимать грузы, которые без них нельзя далее сдвинуть с места.
Приспособления, увеличивающие силу или изменяющие ее направление, получили название механизмы. Чтобы облегчить свой труд, то есть получить выигрыш в силе, человек изобрел, создал и начал использовать такие простые механизмы, как рычаг, блок, коловорот, наклонную плоскость, клин, винт, колесо и другие. При помощи этих механизмов люди строили пирамиды (рис. 104), храмы и прочее.
Простые механизмы — это не что иное, как орудия труда. В школе на уроках труда знакомились с некоторыми из них.
Намного легче передвигать грузы, поставив их па колеса, раскалывать каменные глыбы или деревянные колоды, пользуясь клином — треугольным куском дерева али металла. Тяжелые предметы, например камни, ящики и даже автомобили, человек может поднимать или приподнимать с помощью длинного деревянного либо металлического стержня или доски, имеющих точку опоры, — рычага (рис. 105).
По принципу рычага работает колодец (рис. 107, 2), народное название которого «журавль». Правда, рычаг имеет недостаток с помощью этого простого механизма нельзя поднять грузы на значительную высоту.
 |
| Рис. 105. Примеры использования рычага (1), клина (2, 4), колеса (3) |
Другой простой механизм — блок — не имеет такого недостатка. Блок изготавливают в виде колеса с углублением для веревки или цепи (рис. 106). Если блок закрепить на нужной высоте и перебросить через него веревку или цепь, то поднимать грузы будет удобней и быстрее. Однако блок не дает выигрыша в силе, а только изменяет направление ее действия. Длительное время этот простой механизм был незаменим при возведении сооружений. Он и теперь используется в индивидуальном строительстве.
В сельской местности воду из колодцев достаточно часто поднимают при помощи коловорота (рис 107, 1). Это также простои механизм. Материал с сайта http://worldofschool.ru
 |
| Рис. 106. Использование блока |
 |
| Рис. 107. Колодец с коловоротом (1) и с «журавлем» (2) |
К простым механизмам относится также и наклонная плоскость. Ее используют для получения выигрыша в силе при перемещении тел (рис. 108).
Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемТимур Сарычев
Похожие презентации
Презентация на тему: » 1.Для чего нужны простые механизмы? 2.Какие виды простых механизмов существуют? 3.Где простые механизмы встречаются в природе? 4.Дают ли простые механизмы.» — Транскрипт:
2 1. Для чего нужны простые механизмы? 2. Какие виды простых механизмов существуют? 3. Где простые механизмы встречаются в природе? 4. Дают ли простые механизмы выигрыш в силе? 5. Есть ли простые механизмы во мне?
3 В физике простыми механизмами называют приспособлении типа рычагов или винтов. Они предназначены для того, чтобы уменьшить необходимое для производства работы усилие человека и использовать это усилие наиболее эффективно. Часто несколько простых механизмов соединяют вместе. В результате получаются более сложные механизмы сверла, часы. Колесо одно из важнейших изобретений человечества. На нем основано действие многих механизмов.
4 Виды простых механизмов
5 Рычаги Рычаг-простейшее механическое устройство, представляющее собой твёрдое тело (перекладину),вращающееся вокруг точки опоры. Стороны перекладины от точки опоры, называются «плечами»рычага.
6 Наклонная плоскость Наклонная плоскость это плоская поверхность, установленная под углом, отличным от прямого и/или нулевого, к горизонтальной поверхности. Наклонная плоскость позволяет преодолевать значительное сопротивление, прилагая сравнительно малую силу на большем расстоянии, чем то, на которое нужно поднять груз.
7 Блок Блоки Блоки – простые механические устройства, позволяющие изменять силу: либо по направлению, либо по направлению и по модулю. Любой блок представляет собой колесо с жёлобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Жёлоб предназначен для каната, цепи, ремня и т.п.
8 Клин Клин простой механизм в виде призмы, рабочие поверхности которого сходятся под острым углом. Используется для раздвижения, разделения на части обрабатываемого предмета. Клин одна из разновидностей механизма под названием «наклонная плоскость».
9 Ворот Ворот простейший механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате (тросе, верёвке). Синоним простейшей лебёдки.
10 Винты Винт крепёжное изделие в виде стержня с наружной резьбой на одном конце и конструктивным элементом для передачи крутящего момента на другом. Передающим усилие элементом могут являться различного рода головки, шлицы в торце стержня и т. п. От шурупа винт отличается тем, что не имеет конического сужения на конце и не создаёт резьбу при вкручивании. Винт предназначен для образования резьбового соединения или фиксации.
11 Башенные краны используются при строительстве высотных домов Рычаги и блоки в устройстве экскаватора
12 Колесо Колесо́Колесо́ движитель, круглый (как правило), свободно вращающийся или закреплённый на оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить. Широко применяется для транспортировки грузов, повсеместно используется в различных механизмах и инструментах. Модель колеса неизвестного назначения обнаружена при раскопках древней стоянки Сунгирь Владимирской области (25 тыс. лет назад).
13 Зубчатая передача Зубчатая передача это механизм или часть механизма механической передачи, в состав которого входят зубчатые колёса.
14 Одноплечий рычаг руки человека Рычаги передней конечности собаки
15 Сила тяги мышц и связок, прикреплённых к затылочной кости Сила тяжести головы Пример работы рычага – действие свода стопы при подъёме на полупальцы
16 Короткое плечо рычага стережёт вход в цветок Длинное плечо рычага
17 «Колющие орудия» многих животных и растений по форме напоминают клин
18 У кошек рычагами являются подвижные когти У членистоногих – большинство сегментов их наружного скелета
19 Короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при малой скорости У двустворчатых моллюсков простыми механизмами являются створки раковины
20 Применение условия равновесия рычага при работе с тачкой Применяя условие равновесия рычага, первому человеку легче нести груз, если он находится ближе к плечу
22 Я проверил на практике: 1. Наклонная плоскость даёт выигрыш в силе во столько раз, во сколько её длина больше высоты. При увеличении крутизны наклонной плоскости выигрыш в силе уменьшается. 2. Так как действие стопы при подъёме тела на полупальцы является примером работы рычага, то я решил оценить свою мышечную силу при ходьбе. Моя мышечная сила при ходьбе 388Н. 3. Выигрыш в силе винта равен 22.
23 Выводы: нет ни одной семьи, которая не пользуется простыми механизмами; 100 % членов семей пользуются клином (разновидность наклонной плоскости);100% членов семей используют в своей жизни грабли, лопаты, мотыги, кусачки, гвоздодеры, веники и другие инструменты (рычаги).
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Содержание
Простейшие механизмы
Для облегчения совершения механической работы издавна используются различные приспособления — простые механизмы.
Простые механизмы — это устройства, в которых работа совершается только за счет механической энергии. Простые механизмы (рычаг, наклонная плоскость, блок и др.) служат для преобразования силы, их применяют при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу.
Наклонная плоскость
Ее используют в тех случаях, когда надо поднять тяжелый груз на некоторую высоту.
Рассмотрим гладкую наклонную плоскость (рис. 1). Рассчитаем силу F, которую надо приложить к телу массой m, чтобы поднять его равномерно на высоту h.
Запишем основное уравнение динамики\[
\vec F + \vec N + m \vec g = 0\]. Спроецируем это равенство на ось Ox\[
F = mg \sin \alpha = mg \frac hl \Rightarrow \frac
т.е для равномерного поднятия груза с помощью наклонной плоскости необходимо приложить силу, во столько раз меньшую силы тяжести груза, во сколько раз длина наклонной плоскости больше ее высоты.
Рычаг
Рычагом называют имеющее неподвижную ось вращения твердое тело, на которое действуют силы, стремящиеся повернуть его вокруг этой оси. Различают рычаги первого и второго рода.
Рычагом первого рода называют рычаг, ось вращения О которого расположена между точками А и В приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону (рис. 2, а). Это коромысло равноплечих весов, железнодорожный шлагбаум, ножницы и др.
Рычаг второго рода — рычаг, ось вращения О которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу (рис. 2, б). Это гаечные ключи, щипцы для раскалывания орехов, двери и др.
\frac
При равновесии рычага под действием двух сил модули этих сил обратно пропорциональны их плечам.
С помощью рычага можно получить выигрыш в силе, т.е. меньшей силой можно уравновесить большую силу.
Блоки используют для поднятия грузов. Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. По желобу блока пропускают веревку, трос или цепь. Неподвижным называют такой блок, ось которого закреплена и при подъеме грузов она не поднимается и не опускается (рис. 3, а, б).
Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи приложенных сил равны радиусу колеса. Следовательно, из правила моментов mgr = Fr вытекает, что неподвижный блок выигрыша в силе не дает (F = mg). Он позволяет менять направление действия силы.
На рисунке 4, а, б изображен подвижный блок (ось блока поднимается и опускается вместе с грузом). Такой блок поворачивается около мгновенной оси О. Правило моментов для него будет иметь вид
mgr = F \cdot 2r \Rightarrow F = \frac
Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза.
Обычно на практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным (рис. 5). Неподвижный блок применяется только для удобства. Он, изменяя направление действия силы, позволяет, например, поднимать груз, стоя на земле.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 73-75.
Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемТимур Сарычев
Похожие презентации
Презентация на тему: » 1.Для чего нужны простые механизмы? 2.Какие виды простых механизмов существуют? 3.Где простые механизмы встречаются в природе? 4.Дают ли простые механизмы.» — Транскрипт:
2 1. Для чего нужны простые механизмы? 2. Какие виды простых механизмов существуют? 3. Где простые механизмы встречаются в природе? 4. Дают ли простые механизмы выигрыш в силе? 5. Есть ли простые механизмы во мне?
3 В физике простыми механизмами называют приспособлении типа рычагов или винтов. Они предназначены для того, чтобы уменьшить необходимое для производства работы усилие человека и использовать это усилие наиболее эффективно. Часто несколько простых механизмов соединяют вместе. В результате получаются более сложные механизмы сверла, часы. Колесо одно из важнейших изобретений человечества. На нем основано действие многих механизмов.
4 Виды простых механизмов
5 Рычаги Рычаг-простейшее механическое устройство, представляющее собой твёрдое тело (перекладину),вращающееся вокруг точки опоры. Стороны перекладины от точки опоры, называются «плечами»рычага.
6 Наклонная плоскость Наклонная плоскость это плоская поверхность, установленная под углом, отличным от прямого и/или нулевого, к горизонтальной поверхности. Наклонная плоскость позволяет преодолевать значительное сопротивление, прилагая сравнительно малую силу на большем расстоянии, чем то, на которое нужно поднять груз.
7 Блок Блоки Блоки – простые механические устройства, позволяющие изменять силу: либо по направлению, либо по направлению и по модулю. Любой блок представляет собой колесо с жёлобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Жёлоб предназначен для каната, цепи, ремня и т.п.
8 Клин Клин простой механизм в виде призмы, рабочие поверхности которого сходятся под острым углом. Используется для раздвижения, разделения на части обрабатываемого предмета. Клин одна из разновидностей механизма под названием «наклонная плоскость».
9 Ворот Ворот простейший механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате (тросе, верёвке). Синоним простейшей лебёдки.
10 Винты Винт крепёжное изделие в виде стержня с наружной резьбой на одном конце и конструктивным элементом для передачи крутящего момента на другом. Передающим усилие элементом могут являться различного рода головки, шлицы в торце стержня и т. п. От шурупа винт отличается тем, что не имеет конического сужения на конце и не создаёт резьбу при вкручивании. Винт предназначен для образования резьбового соединения или фиксации.
11 Башенные краны используются при строительстве высотных домов Рычаги и блоки в устройстве экскаватора
12 Колесо Колесо́Колесо́ движитель, круглый (как правило), свободно вращающийся или закреплённый на оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить. Широко применяется для транспортировки грузов, повсеместно используется в различных механизмах и инструментах. Модель колеса неизвестного назначения обнаружена при раскопках древней стоянки Сунгирь Владимирской области (25 тыс. лет назад).
13 Зубчатая передача Зубчатая передача это механизм или часть механизма механической передачи, в состав которого входят зубчатые колёса.
14 Одноплечий рычаг руки человека Рычаги передней конечности собаки
15 Сила тяги мышц и связок, прикреплённых к затылочной кости Сила тяжести головы Пример работы рычага – действие свода стопы при подъёме на полупальцы
16 Короткое плечо рычага стережёт вход в цветок Длинное плечо рычага
17 «Колющие орудия» многих животных и растений по форме напоминают клин
18 У кошек рычагами являются подвижные когти У членистоногих – большинство сегментов их наружного скелета
19 Короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при малой скорости У двустворчатых моллюсков простыми механизмами являются створки раковины
20 Применение условия равновесия рычага при работе с тачкой Применяя условие равновесия рычага, первому человеку легче нести груз, если он находится ближе к плечу
22 Я проверил на практике: 1. Наклонная плоскость даёт выигрыш в силе во столько раз, во сколько её длина больше высоты. При увеличении крутизны наклонной плоскости выигрыш в силе уменьшается. 2. Так как действие стопы при подъёме тела на полупальцы является примером работы рычага, то я решил оценить свою мышечную силу при ходьбе. Моя мышечная сила при ходьбе 388Н. 3. Выигрыш в силе винта равен 22.
23 Выводы: нет ни одной семьи, которая не пользуется простыми механизмами; 100 % членов семей пользуются клином (разновидность наклонной плоскости);100% членов семей используют в своей жизни грабли, лопаты, мотыги, кусачки, гвоздодеры, веники и другие инструменты (рычаги).