Фізика. 7 клас. Максимович

§ 34. Блоки. «Золоте правило» механіки

Під час розкопок на території Іраку археологи виявили приладдя з мотузок та виноградних ліан, які використовували 1500 років до нашої ери для підняття ємностей з водою. Як найдавніші блоки застосовували гілки дерев. Через них перекидали мотузку, до якої кріпили вантаж. У IV ст. до н. е. давні шумери, а також у II ст. до н. е. незалежно від них китайці винайшли колесо, через яке перекидали мотузку. А поєднання різних видів блоків у систему допомагає й тепер людям піднімати вантажі, які на перший погляд є непідйомними.

Дізнаймося про...

нерухомий блок;
рухомий блок;
«золоте правило» механіки.

1. Нерухомий блок

Блок — це один з простих механізмів (мал. 34.1), який має форму колеса з жолобом, що обертається навколо своєї осі. Жолоб призначений для мотузки, каната, ланцюга тощо.

Мал. 34.1. Блоки

Якщо вісь блока закріплена нерухомо в обоймі, то такий блок називають нерухомим. Вам уже відомо, що важіль — це тверде тіло, що обертається навколо осі, то нерухомий блок — це різновид важеля (рівноплечий важіль).

На малюнку 34.2 (а) показано піднімання вантажу за допомогою нерухомого блока, плечі сил якого дорівнюють радіусу колеса (мал. 34.2, б): АО = OB = R. Такий блок виграшу в силі не дає (F₁ = F₂), але дає змогу змінити напрям дії сили.

Мал. 34.2. Піднімання вантажу за допомогою нерухомого блока

Поміркуйте і дайте відповідь

Навіщо користуватися нерухомим блоком, якщо виграшу в силі він не дає? Де його зручно використовувати?

2. Рухомий блок

Рухомий блок — це блок, вісь якого піднімається й опускається разом з вантажем (мал. 34.3, а). Для такого блока ОА — плече сили F₁, а ОВ — плече сили F₂. Оскільки OB = 2ОА (ОВ — діаметр колеса), то сила F₂ у 2 рази менша від сили F₁ (F₁ = 2F₂). Тому рухомий блок дає виграш у силі в 2 рази.

Мал. 34.3. Піднімання вантажу за допомогою рухомого блока

Поміркуйте і дайте відповідь

Чи можна отримати за допомогою блоків виграш у силі більше ніж у 2 рази?

У техніці, альпінізмі, на кораблях використовують систему, що є комбінацією рухомих і нерухомих блоків (мал. 34.4).

Мал. 34.4. Приклади використання системи блоків

У ХІІ ст. н. е. збудовано багато кафедральних соборів. Це дуже великі споруди, які могли досягати 150 м у висоту. Завдяки використанню системи блоків будівельники підіймали великі камені на потрібну їм висоту.

3. «Золоте правило» механіки

Використовуючи прості механізми, можна одержати виграш у силі, але він супроводжується програшем у відстані. Можна й навпаки, одержати виграш у відстані, але тоді ми неодмінно програємо в силі. А чи дають прості механізми виграш у роботі?

На мал. 34.5 показано як, зрівноваживши на важелі дві різні за модулем сили, можна привести важіль у рух. За той самий час точка прикладання меншої сили проходить більший шлях. І навпаки, точка прикладання більшої сили проходить менший шлях. Експериментально перевірено: у скільки разів сила F₂ більша від сили F₁, у стільки разів шлях S₂, менший від шляху S₁. Проте робота залишається незмінною, оскільки дорівнює добутку сили на шлях.

Мал. 34.5. Зрівноваження на важелі дії однієї сили іншою

Отже, використовуючи прості механізми, ми виграємо в силі у стільки разів, у скільки разів програємо у відстані, або виграємо у відстані в стільки разів, у скільки разів програємо в силі. Це твердження назвали «золотим правилом» механіки. Тому зрозумілим є те, що прості механізми не дають виграшу в роботі.

4. Приклад розв’язування задачі

Задача. За допомогою рухомого блоку піднімають вантаж. Визначте масу вантажу, якщо до вільного кінця мотузки прикладають силу 211 Н. Вагою блоку й тертям знехтувати.

Запам’ятайте

Блок — це один з простих механізмів, який має форму колеса з жолобом, що обертається навколо своєї осі.

Нерухомий блок — це блок, вісь якого закріплена нерухомо в обоймі.

Нерухомий блок виграшу в силі не дає, але дає змогу змінити напрям дії сили.

Рухомий блок — це блок, вісь якого рухається.

Рухомий блок дає виграш в силі у 2 рази.

«Золоте правило» механіки: виграємо в силі у стільки разів, у скільки разів програємо у відстані, або виграємо у відстані в стільки разів, у скільки разів програємо в силі.

Перевірте себе

Мал. 34.6. Піднімання вантажу за допомогою системи блоків

Обдумайте, змоделюйте, зробіть...

Унаслідок землетрусу люди виявилися заблокованими в будинку двістікілограмовим уламком бетонної плити. Складіть алгоритм порятунку потерпілих з використанням простих механізмів для надання їм домедичної допомоги.

Дотримуйтеся правил безпеки під час роботи!

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)