uabooks.top

Машина - это устройство, которое осуществляет механическое движение для преобразования энергии. Термин «машина» (лат. machina) означает механизм, устройство, конструкция. Термин «механизм», в свою очередь, происходит от греческого «механе» - двигать.

Простая машина - это механизм, который изменяет направление или величину силы без потребления энергии.

Сложные машины, которыми сейчас пользуются, содержат так называемые простые механизмы. Простые механизмы можно разделить на две группы:

1. Рычаг, блок, ворот, лебеда, кабестан, полиспаст: их работа сводится к принципу действия рычага.

2. Наклонная плоскость, винт и клин, работу которых можно свести к принципу наклонной плоскости.

БЛОК КАК РЫЧАГ

Блок - колесо с желобом и осью вращения -используется в кранах (рис. 34.1), экскаваторах, подвесных дорогах и т. п. По желобу двигается трос, который тянет или поддерживает грузы. Если ось блока закреплена, то он называется неподвижным (рис. 34.2) и используется для изменения направления действия силы.

У рычага есть недостаток - он имеет ограниченное пространство действия. Повернув плечо рычага на некоторый небольшой угол, нужно вернуть его в предыдущее положение и начинать все сначала. Блок позволяет сделать процесс выполнения роботы непрерывным. Рассмотрим принцип действия неподвижного блока с помощью рис. 34.3. Сила F, с которой мы действуем на правый конец троса вниз, позволяет поднимать груз вверх, и это удобнее, чем непосредственно поднимать груз.

Сила тяжести mg уравновешена направленной вверх силой натяжения левого конца троса T. Такие же по величине силы натяжения T действуют со стороны троса вниз на блок. Плечи этих сил (они указаны оранжевыми стрелками) одинаковы - следовательно, выигрыша в силе мы не получили. Правый конец троса можно тянуть также в сторону или горизонтально, в таком случае блок называют направляющим.

ПОДВИЖНЫЙ БЛОК

Рассмотрим рис. 34.4. Направленная вверх сила F, которая действует на правый конец троса, уравновешена силой натяжения троса T, направленной вниз. Величина сил натяжения в любой точке троса одинакова. Две направленные вверх силы натяжения T, действующие на блок, уравновешивают силу тяжести mg, которая действует на груз вниз. Следовательно, величина силы натяжения в тросе вдвое меньше веса груза. Прикладывая силу F, мы получаем выигрыш в силе в два раза.

Если тянуть за ось блока вниз с некоторой скоростью, то правый конец троса будет двигаться со вдвое большей скоростью, то есть подвижный блок можно использовать и для выигрыша в скорости.

Можно объяснить выигрыш в силе, который дает подвижный блок и по-другому: плечо силы F относительно точки О вдвое больше плеча силы mg.

Если применить много подвижных блоков, соединив их в две группы, то получим полиспаст (рис. 34.5). Полиспаст дает многократный выигрыш в силе.

ОПЫТ 34.1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЛОСИПЕДА»

Пусть кто-нибудь удерживает велосипед, чтобы он не опрокинулся. Установите педали так, чтобы одна из них занимала самое нижнее положение. Куда начнет двигаться велосипед, если вы потянете за эту педаль назад, действуя с силой параллельно дороге? Дайте сначала ответ, рассуждая теоретически, а потом проверьте вашу теорию на опыте.

ТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

34.1. Какой наибольший выигрыш в скорости можно получить при передаче усилия педалей на ведущее колесо, и при каких условиях? Получите числовой результат на конкретном велосипеде.

34.2. Каким образом сохраняет равновесие велосипедист во время езды?

НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ

Вы, наверное, видели, как массивный предмет, который тяжело поднять (например, шкаф) грузят в машину. Груз поднимают по крепкой доске, один конец которой находится на земле, а другой - опирается на край кузова. Ленточные транспортеры, эскалаторы - примеры наклонной плоскости.

Сила, которую нужно приложить к телу, чтобы двигать его вверх по наклонной плоскости (рис. 34.6), тем меньше, чем меньший угол наклона плоскости к горизонту, и она всегда меньше силы тяжести Р_тяж = mg, которая действует на тело. Тяжелые каменные блоки, из которых строили египетские пирамиды, тянули вверх по наклонной насыпи. Чем выше становилась пирамида, тем более длинной приходилось делать насыпь.

Разновидностями наклонной плоскости являются клин, винт, лемех плуга, шнек мясорубки (дальний потомок винта Архимеда).

КЛИН

Вместо того, чтобы тянуть тело по наклонной плоскости, можно наклонную плоскость двигать под телом. Так делают, когда нужно приподнять очень тяжелый предмет (рис. 34.7). Чем более острый клин, тем с меньшей силой его надо подбивать (но и тем меньший эффект подъема).

Клин под действием не слишком большой силы удара молотка распирает половинки колоды, действуя на них со значительно большей силой. Подобным образом топор или колун расщепляют полено. Нож также является разновидностью клина, и чем острее он будет, тем легче им резать.

ВИНТ

Следующей модификацией наклонной плоскости является винт. Резьба винта является наклонной плоскостью, обвивающей цилиндр. Наклон такой плоскости можно сделать очень маленьким (за счет малого шага винта), а саму плоскость - очень длинной.

ОПЫТ 34.2

Начертите на листе бумаги для чертежей наклоненную прямую АВ, оставив полосу для склеивания шириной 0,5 см, как указано на рис. 34.8. Сверните лист в цилиндр и склейте его так, чтобы точка В оказалась в точности над точкой А. Вы убедитесь, что прямая АВ превратилась в спираль.

Шаг спирали (расстояние АВ на поверхности цилиндра) будет тем меньшим, чем меньше угол, под которым вы провели линию АВ на листе.

Гайка, двигаясь по винту болта, может поднимать груз, вес которого значительно больше усилия, которое прикладывают, чтобы поворачивать винт или гайку.

Винтовые подъемники вы можете увидеть в автомастерских, небольшие винтовые домкраты есть в каждом автомобиле. С помощью винтовых устройств зажимают детали в тисках и двигают суппорты токарных и фрезерных станков. На рис. 34.9 приведены фотографии шнека домашней ручной мясорубки и струбцины (разновидность тисков)..

КРАТКИЕ ИТОГИ

Неподвижный блок позволяет изменить направление действия силы. Подвижный блок дает выигрыш в силе.

Чем меньше угол наклона наклонной плоскости - тем больше выигрыш в силе.

УПРАЖНЕНИЕ 34

1. Как и для чего используют неподвижный блок?

2. Почему неподвижный блок не дает выигрыша в силе?

3. Какой выигрыш в силе дает подвижный блок?

4. Почему при строительстве пирамиды с увеличением высоты приходилось удлинять насыпь?

5. На каком виде транспорта в старину использовали блоки?

6. Где в практической деятельности люди используют клин?

7. От чего зависит выигрыш в силе при движении тела по наклонной плоскости?

8. Что называют «выигрышем в силе»? Поясните ответ формулой.

9. Какой выигрыш в силе дает полиспаст, изображенный на рис. 34.5?

10. Перечислите простые механизмы, которые используются в трансмиссии велосипеда.

11. Поясните рисунком, почему в процессе езды изменяется момент силы F, с которой велосипедист жмет на педали.

12. Объясните: а) почему переключение на меньшую по диаметру зубчатку, связанную с задним колесом, позволяет велосипедисту двигаться быстрее; б) почему теперь надо прикладывать большее усилие, чтобы вращать педали?

13. Почему надо так долго крутить ручку домкрата, чтобы хоть немного приподнять корпус автомобиля?

14. Какие два простых механизма использованы в винтовом домкрате?

15. Объясните, почему винт и винтовой домкрат являются частными случаями наклонной плоскости?

16. На поверхности вертикально расположенного цилиндра две точки разместили так, что они расположены: а) в одной горизонтальной плоскости; б) на одной вертикали; в) произвольным образом. Что представляет собой линия минимальной длины, которая соединяет эти точки? Дайте ответ для каждого из трех указанных случаев.

17. Как влияет величина шага винта домкрата на выигрыш в силе, который он может дать?

18. Прикладывая силу F, с помощью подвижного блока удерживают тело массой m = 10 кг (рис.

34.10). Какова величина силы F? g = 10 H/кг.

19. Тело массой m = 500 г находится в равновесии (рис. 34.11). Масса блока М = 100 г. Масса нити значительно меньше массы тела и блока. С какой силой и в каком направлении нить действует: а) на тело m? б) на пол в точке D? в) Каков вес тела m? г) С какой силой и в каком направлении (вверх или вниз) нить действует на блок в точках В и С? д) С какой силой и в каком направлении подвес блока действует на потолок? g = 10 Н/кг.

 

 

Это материал учебника Физика за 7 класс Пшеничка