для чего применяют простые механизмы

Зачем нужны простые механизмы

Что такое механизм?

История стара как мир: при меньшем получить больше.

Таков закон нашего существования в природе. Ресурсы человека ограничены, условия жизни — быстротечны и непредсказуемы, потребности — велики. А чтобы процветать и выживать, не нарушая пропорции данных трех переменных, необходимо умение не только подстраиваться, но и использовать с умом то, что дано. В конце концов, умение облегчить себе труд и превысить мышечные возможности — это то, что выделяет нас на фоне других представителей царства животных.

Именно поэтому технологические решения всегда развивались параллельно с человеком. Мы всегда были, есть и будем в поиске. В поиске того, что могло бы помочь нам выгадывать больше, вкладываясь меньше. И практически все, что мы придумывали во имя этой цели на протяжении тысячелетий, так или иначе можно отнести к понятию механизма.

Рисунок 2. Лопата? Лопата! Вообще-то является механизмом рычагового типа.

Механизм — это устройство, повышающее производительность труда и облегчающее его выполнение. Задача его проста — преобразовывать энергию и передавать движение: к механизму прикладывается сила, которую он в свою очередь «перерабатывает» и передает телу, совершая работу. Обычно наименьший неделимый элемент механизма называется простым или простейшим.

Ему можно дать следующее краткое определение:

Простой механизм — устройство, служащее для преобразования силы.

Механизмы помогают нам везде. Начать с того, что в скелете человека все кости, имеющие свободный ход, являются «простыми механизмами» — рычагами. Продолжить можно чем угодно, хоть содержимым кухонного шкафчика: ножи, топорики для рубки мяса, открывашки, штопоры, ножницы и прочее — все это имеет отношение к простым механизмам. Двери, окна, тележки в супермаркетах, качели, пандусы, пинцеты, ручки смесителя в ванной, колодца, велосипеды, внутренности ремонтного ящика, от гвоздодера до кусачек… продолжать можно долго. Простые механизмы — основа нашей жизни.

Видео

Винт. Если взять наклонную плоскость, обернуть ее вокруг цилиндра, то мы получим винт — механизм, который используется для того, чтобы что-то опускать, поднимать или обычно просто дабы удерживать два тела вместе.

Типичная крышка от банки или бутылки — показательный пример винта. А вот вкрутить даже маленький винтик — задача времязатратная, поскольку винтовые механизмы значительно увеличивают расстояние применения силы. Чтобы сравнить, можно взять два винта и кусок поролона: один винт в него вдавить, другой вкрутить. А теперь попробуйте вдавить винт в стену…

Золотое правило механики

Простой механизм может дать выигрыш в силе или в расстоянии, но не может дать выигрыша в работе.

Например, рычаг с отношением плеч 2 : 1 даёт выигрыш в силе в два раза. Чтобы на меньшем плече поднять груз весом , нужно к большему плечу приложить силу . Но для поднятия груза на высоту большее плечо придётся опустить на , и совершённая работа будет равна:

т. е. той же величине, что и без использования рычага.

В случае наклонной плоскости мы выигрываем в силе, так как прикладываем к грузу силу , меньшую силы тяжести. Однако, чтобы поднять груз на высоту над начальным положением, нам нужно пройти путь вдоль наклонной плоскости. При этом мы совершаем работу

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.

Подвижный блок

На рис. 3 изображён подвижный блок, ось которого перемещается вместе с грузом. Мы тянем за нить с силой , которая приложена в точке и направлена вверх. Блок вращается и при этом также движется вверх, поднимая груз, подвешенный на нити .

В данный момент времени неподвижной точкой является точка , и именно вокруг неё поворачивается блок (он бы «перекатывается» через точку ). Говорят ещё, что через точку проходит мгновенная ось вращения блока (эта ось направлена перпендикулярно плоскости рисунка).

Вес груза приложен в точке крепления груза к нити. Плечо силы равно .

А вот плечо силы , с которой мы тянем за нить, оказывается в два раза больше: оно равно . Соответственно, условием равновесия груза является равенство (что мы и видим на рис. 3 : вектор в два раза короче вектора ).

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).

У блока на рис. 3 есть один недостаток: тянуть нить вверх (за точку ) — не самая лучшая идея. Согласитесь, что гораздо удобнее тянуть за нить вниз! Вот тут-то нас и выручает неподвижный блок.

На рис. 4 изображён подъёмный механизм, который представляет собой комбинацию подвижного блока с неподвижным. К подвижному блоку подвешен груз, а трос дополнительно перекинут через неподвижный блок, что даёт возможность тянуть за трос вниз для подъёма груза вверх. Внешнее усилие на тросе снова обозначено вектором .

Принципиально данное устройство ничем не отличается от подвижного блока: с его помощью мы также получаем двукратный выигрыш в силе.

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: 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.

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:

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

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 = \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.

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.

Источник