для чего используют простые механизмы

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

Простые механизмы. Подъемный механизм. Простые механизмы в быту

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 = 0\]. Отсюда искомая сила

F = mg \sin \alpha = mg \frac hl \Rightarrow \frac = \frac lh,\)

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 = \frac\) — условие равновесия рычага.

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<2>.\)

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.

Видео

Основы простых механизмов

По математике формул очевидно, что с увеличением расстояния перемещения, сила, необходимая для совершения того же объема работы, уменьшается.

К тому же, так как сила — вектор, с помощью механизма мы можем изменять не только ее величину, но и направление.

Рисунок 3. Упрощенный расчет длин траекторий лестницы на примере прямоугольного треугольника.Принцип: пройти два лишних метра, затратив при этом меньше мышечных сил.

Флаг тридцать тонн не весит, но с помощью механизма мы задали силе противоположное направление и немного выиграли — лезть никуда не придется.

Ворот

Это приспособление представляет собой барабан (цилиндр), к которому прикрепляется рукоятка. Как правило, его применяли как подъемный механизм для поднятия воды из колодца. Тот выигрыш в силе, какой получается при использовании ворота, определяется отношением радиуса той окружности, по которой совершается движение рукоятки, к радиусу цилиндра (барабана), на который наматывается веревка. К современному типу ворота относится лебедка. Это приспособление представляет собой систему, включающую цилиндр и два зубчатых колеса разного радиуса. Выигрыш в силе, который в общем дает лебедка, определяют совокупным действием двух воротов. Современные устройства дают выигрыш в сорок-сто раз.

Это интересно: почему говорят «клин клином вышибают»?

Этимология фразеологизма тесно связана с тем, как в старину раскалывали массивные бревна.Одним клином с такой задачей было не справиться: забитый до упора, он лишь частично раскалывал бревно.Ни клин не достать обратно, ни дров не нарубить. Поэтому рядом с забитым клином вбивали рядом другой — так, чтобы второй заходил глубже и вышибал первый. И так далее, и тому подобное, до тех пор, пока деревянный брусок не расколется напополам.Вот и выходит, что клин клином вышибают в прямом смысле — один клин вышибают вторым. И откуда только взялась распространенная речевая ошибка «клин клином вышибает»?

Комплексное применение приспособлений

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.

В механике подобный механизм называется наклонной плоскостью. Наклонная плоскость — это ровная плоская поверхность, расположенная под некоторым углом к горизонту. В таком случае коротко говорят: «наклонная плоскость с углом «.

Найдём силу, которую надо приложить к грузу массы , чтобы равномерно поднять его по гладкой наклонной плоскости с углом . Эта сила , разумеется, направлена вдоль наклонной плоскости (рис. 5 ).

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.

Чтобы равномерно поднимать тот же груз по вертикали, к нему нужно приложить силу, равную . Видно, что , поскольку . Наклонная плоскость действительно даёт выигрыш в силе, и тем больший, чем меньше угол .

Широко применяемыми разновидностями наклонной плоскости являются клин и винт.

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.

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:

=Aполезн/Аполн.

КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.

Вычислим КПД наклонной плоскости с углом при наличии трения. Коэффициент трения между поверхностью наклонной плоскости и грузом равен .

Пусть груз массы равномерно поднимается вдоль наклонной плоскости под действием силы из точки в точку на высоту (рис. 6 ). В направлении, противоположном перемещению, на груз действует сила трения скольжения .

Ускорения нет, поэтому силы, действующие на груз, уравновешены:

.

Проектируем на ось X:

. (1)

Проектируем на ось Y:

. (2)

, (3)

.

.

.

Полная работа равна произведению силы F на путь, пройденный телом вдоль поверхности наклонной плоскости:

Aполн=.

Полезная работа, очевидно, равна:

Аполезн=.

Источник

Простые механизмы – применение, формулы, определение

Простые механизмы находят широчайшее применение в жизни и деятельности человека. Рассмотрим особенности их работы более детально.

Виды простых механизмов

Человек отличается от животных способностью широко использовать орудия труда. Они позволяют ему достигать желаемых целей гораздо проще и эффективнее. Во многих случаях без орудий труда поставленная цель вообще недостижима.

Любое орудие труда может быть разложено на элементы, представляющие простейшие комбинации механических частей, имеющие много общего между собой. Большинство таких элементов лишь передают внешнее усилие на другие части орудия. Они объединяются под общим названием «простые механизмы».

Простые механизмы – это механические приспособления, служащие для преобразования вектора силы по величине и(или) направлению.

К простым механизмам в механике принято относить два важнейших приспособления:

Оба этих простых механизма способны изменять направление вектора приложенной силы и даже менять его модуль.

Кроме того, многие авторы к простым механизмам также относят колесо и поршень. Колесо не меняет направление вектора силы, однако, оно существенно уменьшает потери на перемещение тела по ровной поверхности. Поршень же преобразует энергию газа или жидкости в механическую энергию перемещения.

Действие простых механизмов

Как было указано выше, простые механизмы предназначены для преобразования вектора силы. Но, делают они это по-разному.

Наклонная плоскость

Действие наклонной плоскости заключается в том, что при движении вдоль нее, возникает сила реакции опоры, перпендикулярная этой плоскости, которая, как правило, больше силы, продвигающей тело.

Рис. 1. Наклонная плоскость h L.

Винт – это та же наклонная плоскость, свернутая вокруг вертикальной оси, что позволяет значительно уменьшить ее габариты.

Рычаг

Рычаг – это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры, и имеет две разные точки приложения сил. Отрезки, соединяющие точки приложения сил с опорой, называются плечами рычага.

Рис. 2. Рычаг физика.

То есть, если первое плечо будет иметь длину 3м, а второе 1м, то с помощью силы 10Н, приложенной к первому плечу можно создать на втором плечо усилие:

Блок – это, фактически, такой же рычаг с фиксированными длинами плеч. Для неподвижного блока плечи равны, для подвижного – одно плечо вдвое длиннее второго.

Простые механизмы используются не только человеком, но и Природой. Клювы многих птиц имеют форму клина, позволяющего добывать насекомых, раздвигая относительно небольшим усилием плотные древесные волокна. Примерами рычага являются конечности позвоночных. За счет свойств рычага совсем небольшое сокращение мышцы животного преобразуется в значительный размах конечности.

Рис. 3. Рычаг в живой природе.

Что мы узнали?

Простые механизмы – это приспособления, служащие для преобразования вектора силы. К простым механизмам относится наклонная плоскость (клин, винт) и рычаг (ворот, блок). Широкое применение простых механизмов обуславливается их простотой и эффективностью.

Источник

Простые механизмы. Рычаг Архимеда.

1. Понятие о простых механизмах

Называют устройства, которые изменяют направление действия силы.

2. История возникновения простых механизмов

Древнегреческий ученый Архимед первый создал и использовал простые механизмы, для защиты своего города Сиракузы от римлян.

3. Виды простых механизмов и их практическое значение

К простым механизмам относятся: наклонная плоскость, рычаг, блоки (подвижный и неподвижный), клин, винт, ворот. Примеры. Наклонная плоскость используется для подъема грузов на автомобили. Рычаг применяют в устройстве весов, подъемных кранов и т. д. Блоки применяют в устройстве лифтов. Клин удерживает колесо на оси автомобиля, велосипеда. Винт используют при изготовлении мебели. Ворот для подъема воды в колодцах.

4. Понятие рычага, его устройство и действие

Рычагом называют твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси.

Рассмотрим устройства и действия рычага. У рычага есть ось вращения и плечи. Плечом называют кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.

5. Условия равновесия сил на рычаге

Рычаг находится в равновесии, если силы действующие на него обратно пропорциональны плечам.

6. Формулы равновесия сил

М = F * L — момент сил, называют произведение силы на плечо.

Момент обозначается буквой М. Измеряется в единицах: Н * м.

7. Правила моментов

1. Рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил равна нулю.

2. Рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил вращающих рычаг по часовой стрелке, равна сумме моментов сил вращающих против часовой стрелки.

8. Блоки и получение выигрыша в силе и расстоянии

В механике используются блоки, которые бывают двух видов: подвижные и неподвижные. Неподвижный блок это колесо с желобом. Неподвижный блок используется для подъема различных грузов, но он не дает выигрыша в силе. Сила, приложенная для подъем, равна силе тяжести груза, так как плечо силы равно плечу груза. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза, так как плечо силы в два раза больше плеча груза. Простые механизмы широко применяются в сельском хозяйстве, в быту, в технике и так далее.

9. Золотое правило механики

Для простых механизмов выполняется Золотое правило механики. Золотое правило заключается в том, что:

Простые механизмы не дают выигрыш в работе, во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрывают в расстоянии и наоборот.

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