Підручник Фізика 7 клас - Пшенічка П.Ф. - 2015 рік

Розділ IV Механічна робота та енергія

§ 36. ПРОСТІ МЕХАНІЗМИ

Складні машини, якими зараз користуються, містять так звані прості механізми. Прості механізми можна розділити на дві групи:

1. Важіль, блок, ворот, лебідка, кабестан, поліспаст - і їх робота зводиться до принципу дії важеля;

2. Похила площина, гвинт і клин, роботу яких можна звести до принципу похилої площини.

Блок як важіль

Блок - колесо з жолобом і віссю обертання - використовується в кранах (мал. 36.1), екскаваторах, підвісних дорогах тощо. По жолобу рухається трос, який тягне або підтримує вантажі. Якщо вісь блока закріплена, то він називається нерухомим (мал. 36.2), і використовується для зміни напряму дії сили.

У важеля є недолік - він має обмежений простір дії. Повернувши плече важеля на деякий невеликий кут, потрібно вернути його в попереднє положення і починати все спочатку. Блок дозволяє зробити процес виконання роботи неперервним. Розглянемо принцип дії нерухомого блока за допомогою мал. 36.3. Сила F, з якою ми діємо на правий кінець троса униз, дозволяє піднімати вантаж угору, і це зручніше, аніж безпосередньо піднімати вантаж.

Мал. 36.1. Підвісна дорога

Мал. 36.2. Блок змінює напрям дії сили

Сила тяжіння mg врівноважена направленою вгору силою натягу лівого кінця троса Т. Такі самі за величиною сили натягу Т діють під дією троса униз на блок. Плечі цих сил (вони вказані оранжевими стрілками) однакові - отже виграшу в силі ми не отримали. Правий кінець троса можна тягнути також убік або горизонтально, в такому випадку блок називають направляючим.

Мал. 36.3. Нерухомий блок - це той же важіль

Рухомий блок

Розглянемо мал. 36.4. Направлена вгору сила F, яка діє на правий кінець троса, врівноважена силою натягу троса Т, направленою униз. Величина сил натягу в будь-якій точці тросу однакова. Дві направлені вгору сили натягу Т, що діють на блок, врівноважують силу тяжіння mg, яка діє на вантаж униз. Отже, величина сили натягу в тросі вдвічі менша за вагу вантажу. Прикладаючи силу F, ми отримуємо виграш в силі в два рази.

Якщо тягнути за вісь блока вниз з деякою швидкістю v, то правий кінець троса рухатиметься з вдвічі більшою швидкістю, тобто рухомий блок можна використовувати і для виграшу в швидкості.

Можна пояснити виграш в силі, що його дає рухомий блок і по-другому: плече сили F відносно точки О вдвічі більше за плече сили mg.

Якщо застосувати багато рухомих блоків, з’єднавши їх у дві групи, то отримаємо поліспаст (мал. 36.5). Поліспаст дає багатократний виграш в силі.

Мал. 36.4. Рухомий блок дає двократний виграш в силі

Дослідження велосипеда

Дослід 36.1

Нехай хтось утримує велосипед, щоб він не перекинувся. Встановіть педалі так, щоб одна з них займала найнижче положення. Куди почне рухатися велосипед, якщо ви потягнете за цю педаль назад, діючи з силою паралельно дорозі. Дайте спочатку відповідь, міркуючи теоретично, а потім перевірте вашу теорію на досліді.

Теми для дослідження

36.1. Який найбільший виграш в швидкості можна отримати при передачі зусилля з педалей на ведуче колесо і за яких умов? Отримайте числовий результат на конкретному велосипеді.

36.2. Яким чином зберігає рівновагу велосипедист, коли він їде?

Похила площина

Ви, напевне, бачили, як масивний предмет, який важко підняти (наприклад, шафу), вантажать на машину.

Вантаж піднімають по міцній дошці, один кінець якої знаходиться на землі, а інший - опирається на край кузова. Стрічкові транспортери, ескалатори - приклади похилої площини.

Сила, яку треба прикласти до тіла, щоб рухати його вгору по похилій площині (мал. 36.6), тим менша, чим менший кут нахилу площини до горизонту, і вона завжди менша від сили тяжіння Fтяж = mg, яка діє на тіло. Важкі кам’яні блоки, з яких будували єгипетські піраміди, тягнули вгору по похилому насипу. Чим вищою ставала піраміда, тим довшим доводилося робити насип.

Різновидами похилої площини є клин, гвинт, лемех плуга, шнек м’ясорубки (далекий нащадок гвинта Архімеда).

Мал. 36.5. Поліспаст

Клин

Замість того, щоб тягнути тіло по похилій площині, можна похилу площину рухати під тілом. Так поступають, коли потрібно трохи підняти дуже важкий предмет (мал. 36.7). Чим гостріший клин, тим з меншою силою його треба підбивати (але і тим менший ефект підйому).

Клин під дією не надто великої сили удару молота розпирає половинки колоди, діючи на них із значно більшою силою. Подібним чином сокира чи колун розщеплюють поліно. Ніж є також різновидом клина і чим гострішим він буде, тим легше ним різати.

Мал. 36.6. Переміщувати тіло по похилій площині легше, ніж підняти вертикально вгору

Мал. 36.7. Сила N, що піднімає ящик, більша, ніж сила F, з якою ми підбиваємо клин

Гвинт

Наступною модифікацією похилої площини є гвинт. Різьба гвинта є похилою площиною, що обвиває циліндр. Нахил такої площини можна зробити дуже малим (за рахунок малого кроку гвинта), а саму площину - дуже довгою.

Дослід 36.2

Накресліть на аркуші паперу для креслень нахилену пряму АВ, залишивши смугу для склеювання шириною 0,5 см, як вказано на мал. 36.8. Згорніть аркуш в циліндр і склейте його так, щоб точка В опинилася точно над точкою А. Ви переконаєтесь, що пряма АВ перетворилася на спіраль. Крок спіралі (відстань АВ на поверхні циліндру) буде тим менший, чим менший кут, під яким ви провели лінію АВ на аркуші.

Мал. 36.8. Пряма АВ при згортанні аркуша в циліндр перетворюється на гвинтову лінію

Мал. 36.9. Шнек м’ясорубки і гвинт струбцини - різновиди похилої площини

Гайка, рухаючись по гвинту болта, може піднімати вантаж, вага якого значно більша за те зусилля, яке прикладають, щоб обертати гвинт чи гайку. Гвинтові підйомники ви можете побачити в автомайстернях, невеликі гвинтові домкрати є в кожному автомобілі. За допомогою гвинтових пристроїв затискають деталі в лещатах і рухають супорти токарних та фрезерних верстатів. На мал. 36.9 приведені фотографії шнека від домашньої ручної м'ясорубки і струбцини (різновид лещат).

Підведемо підсумки

• Нерухомий блок дозволяє змінити напрям дії сили.

• Рухомий блок дає виграш в силі.

• Чим менший кут нахилу похилої площини - тим більший виграш у силі.

Вправа 36

1. Як і для чого використовують нерухомий блок?

2. Чому нерухомий блок не дає виграшу в силі?

3. Скільки кратний виграш у силі дає рухомий блок?

4. Чому при будівництві піраміди зі збільшенням висоти доводилося подовжувати насип?

5. На якому виді транспорту в старі часи використовували блоки?

6. Де в практичній діяльності люди використовують клин?

7. Від чого залежить виграш у силі при русі тіла по похилій площині?

8. Що називають «виграшем в силі»? Поясніть відповідь формулою.

9. Який виграш у силі дає поліспаст, зображений на мал. 36.5?

10. Перелічіть прості механізми, які використовуються в трансмісії велосипеда.

11. Поясніть малюнком, чому в процесі їзди змінюється момент сили F, з якою велосипедист тисне на педалі.

12. Поясніть: а) чому переключення на меншу за діаметром зубчатку, зв'язану з заднім колесом, дозволяє велосипедисту рухатися швидше; б) чому тепер треба прикладати більше зусилля, щоб обертати педалі?

13. Чому треба так довго крутити ручку домкрата, щоб хоча б трохи підняти корпус автомобіля?

14. Які два простих механізми використано в гвинтовому домкраті?

15. Поясніть, чому гвинт і гвинтовий домкрат є частинними випадками похилої площини?

16. На поверхні вертикально розташованого циліндра дві точки розмістили так, що вони розташовані: а) в одній горизонтальній площині; б) на одній вертикалі; в) довільним чином. Що являє собою лінія мінімальної довжини, що сполучає ці точки? Дайте відповідь для кожного з трьох вказаних випадків.

17. Як впливає величина кроку гвинта домкрата на виграш у силі, який він може дати?

18. Прикладаючи силу F, за допомогою рухомого блока утримують тіло масою m = 10 кг (мал. 36.10). Яка величина сили F? g = 10 H/кг .

19. Тіло маси m = 500 г перебуває в рівновазі (мал. 36.11). Маса блока М = 100 г. Маса нитки значно менша за масу тіла і блока. З якою силою і в якому напрямі нитка діє: а) на тіло m? б) на підлогу в точці D? в) Яка вага тіла m? г) З якою силою та в якому напрямі (вгору чи вниз) нитка діє на блок в точці В та С? д) З якою силою і в якому напрямі підвіс блока діє на стелю? g = 10 Н/кг

Мал. 35.10.

Мал. 35.11.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити