Фізика. 7 клас. Пшенічка

§ 34. Прості механізми

Машина - це пристрій, який здійснює механічний рух для перетворення енергії. Термін «машина» (лат. machina) означає механізм, пристрій, конструкцію. Термін «механізм», в свою чергу, походить від грецького «механе» - рухати.

Проста машина - це механізм, що змінює напрямок чи величину сили без споживання енергії.

Мал. 34.1. Підвісна дорога

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

• 1. Важіль, блок, ворот, лебідка, кабестан, поліспаст - їхня робота здійснюється за принципом дії важеля.
• 2. Похила площина, гвинт і клин, чию роботу можна звести до принципу похилої площини.

Мал. 34.2. Блок змінює напрямок дії сили

БЛОК ЯК ВАЖІЛЬ

Блок - колесо з жолобом і віссю обертання - використовується в кранах (мал. 34.1), екскаваторах, підвісних дорогах тощо. По жолобу рухається трос, який тягне або підтримує вантажі. Якщо вісь блока закріплена, то він називається нерухомим (мал. 34.2) і використовується для зміни напрямку дії сили.

Мал. 34.3. Нерухомий блок - це той самий важіль

Мал. 34.4. Рухомий блок дає двократний виграш в силі

Мал. 34.5. Поліспаст

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. 34.3. Сила F, з якою ми діємо на правий кінець троса униз, дозволяє піднімати вантаж угору, і це зручніше, ніж безпосередньо піднімати вантаж.

Сила тяжіння mg врівноважена направленою вгору силою натягу лівого кінця троса Т. Такі самі за величиною сили натягу Т під дією троса діють униз на блок. Плечі цих сил (вони показані 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.

РУХОМИЙ БЛОК

Розглянемо мал. 34.4. 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 вдвічі.

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, інакше: 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. 34.5). Поліспаст дає багатократний виграш в силі.

ДОСЛІД 34.1 «ДОСЛІДЖЕННЯ ВЕЛОСИПЕДА»

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 дослідно.

ТЕМИ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

• 34.1. Який найбільший виграш у швидкості можна отримати при передачі зусилля з педалей на ведуче колесо і за яких умов? Отримайте числовий результат на конкретному велосипеді.
• 34.2. Яким чином зберігає рівновагу велосипедист, коли він їде?

Мал. 34.6. Переміщувати тіло по похилій площині легше, ніж піднімати вертикально вгору

ПОХИЛА ПЛОЩИНА

Ви, напевно, 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. 34.6), тим менша, чим менший кут нахилу площини до горизонту, і вона завжди менша за силу тяжіння F_тяж = 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 (пізній нащадок гвинта Архімеда).

КЛИН

Замість того, щоб тягнути тіло по похилій площині, можна похилу площину рухати під тілом. Так чинять, коли потрібно трохи підняти дуже важкий предмет (мал. 34.7). Чим гостріший клин, тим з меншою силою його треба підбивати (але і тим менший ефект підйому).

Мал. 34.7. Сила N, що піднімає ящик, більша, ніж сила F, з якою ми підбиваємо клин

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

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 34.2

Накресліть на аркуші паперу для креслень нахилену пряму АВ, залишивши смугу для склеювання шириною 0,5 см, як вказано на мал. 34.8. Згорніть аркуш циліндром 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 меншим, чим менший кут, під яким ви провели лінію АВ на аркуші.

Мал. 34.8. Пряма АВ при згортанні аркуша циліндром перетворюється на гвинтову лінію

Мал. 34.9. 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. 34.9 зображено шнек від домашньої ручної м'ясорубки і гвинт струбцини (різновид лещат).

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

• Нерухомий блок дозволяє змінити напрямок дії сили.
• Рухомий блок дає виграш у силі.
• Чим менший кут нахилу похилої площини, тим більший виграш у силі.

ВПРАВА 34

• 1. Як і для чого використовують нерухомий блок?
• 2. Чому нерухомий блок не дає виграшу в силі?
• 3. У скільки разів дає виграш у силі 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 похилою площиною?
• 8. Що називають «виграшем у силі»? Поясніть відповідь формулою.
• 9. Який виграш у силі дає поліспаст, зображений на мал. 34.5?
• 10. Назвіть прості механізми, які використовуються в трансмісії велосипеда.
• 11. Поясніть малюнком, чому в процесі їзди змінюється момент сили F, з якою велосипедист тисне на педалі.

Мал. 34.10

Мал. 34.11

• 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. Чим є 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. 34.10). Яка величина сили F? g = 10 Н/кг.
• * 19. Тіло маси m = 500 г перебуває в рівновазі (мал. 34.11). Маса блока М = 100 г. Маса нитки значно менша за масу тіла і блока. З якою силою і в якому напрямку нитка діє: а) на тіло m? б) на підлогу в точці D? в) Яка вага тіла m? г) 3 якою силою та в якому напрямку (вгору чи вниз) нитка діє на блок в точці В та С? д) 3 якою силою і в якому напрямку підвіс блока діє на стелю? g = 10 Н/кг.