Фізика. Повторне видання. 7 клас. Засєкіна
§ 25. Досліджуємо прості механізми
• Як можна підняти вантаж, не докладаючи великих зусиль?
ДОСЛІДЖУЙ
1. Сконструюй важіль (мал. 25.1). Змінюй положення олівця під лінійкою і піднімай предмети. У якому положенні зусилля були меншими?
Мал. 25.1
2. Розглянь малюнок 25.2, а-в. Укажи, якими цифрами позначені блоки, закріплені нерухомо, та блоки, що можуть вільно переміщатися. У якому випадку докладено найменших зусиль для піднімання вантажу?
Мал. 25.2
ДІЗНАВАЙСЯ
Які механізми називають простими? Прості механізми застосовують здебільшого для того, щоб дістати виграш у силі. Прикладаючи досить малу силу, можна підняти порівняно важке тіло або змінити напрямок прикладеної сили на зручніший для людини.
Пристрої, призначені для перетворення сили, називають простими механізмами (simple mechanisms).
До простих механізмів належать: важіль і його різновиди — блок, коловорот; похила площина та її різновиди — клин, гвинт (мал. 25.3).
Мал. 25.3
Прості механізми
Які властивості мас важіль? Тобі відомо, що важке тіло підняти значно легше, якщо просунути під нього міцний стрижень — палку, лом чи навіть лінійку (завдання 1, с. 211). Це і є приклади важеля.
Важіль (lever) — це тверде тіло, яке може обертатися навколо нерухомої опори.
Щоб описати дію і властивості важеля, застосовують такі поняття: точка прикладання сили, вісь обертання, лінія дії сили та плече сили (мал. 25.4).
Мал. 25.4
Точками прикладання сили називають точки, у яких на важіль діють сили. Наприклад, у точці А на вантаж діє сила тяжіння, у точці В — прикладена сила, щоб підняти цей вантаж. Лінія дії сили — це лінія, уздовж якої напрямлена сила, прикладена до важеля. Плече сили (d1 та d2) — найкоротша відстань від осі обертання (точки опори О) до лінії дії сили. Щоб визначити плече сили, необхідно з точки опори провести перпендикуляр до лінії дії сили. Вісь обертання важеля може проходити через один із його кінців або всередині важеля — між точками прикладання сил.
Важіль
У разі дії кількох сил на важіль він може обертатись або бути нерухомим. Величину, яка характеризує обертальну дію сили, називають моментом сили.
Момент сили позначається літерою М. Одиниця моменту сили — 1 Н • м. Момент сили називають ще обертальним моментом.
Момент сили (moment of force) — це фізична величина, яка характеризує обертальну дію сили відносно нерухомої точки О і визначається добутком сили на плече: М = Fd.
Іншими словами, важіль перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, що обертають важіль в одному напрямку, дорівнює сумі моментів сил, що обертають його в протилежному напрямку.
Мал. 25.5
Із цього правила видно, що меншу силу можна зрівноважити більшою силою за допомогою важеля. Але слід збільшити довжину плеча важеля. Усім відомо, що гайку легше викрутити довгим гайковим ключем, ніж коротким; важкий камінь зсунути легше довгим важелем (мал. 25.6, а, в). Важіль використовують і задля збільшення відстані. Наприклад, весляр тягне за коротке плече важеля, прикладаючи значну силу, а отримує виграш у швидкості на кінці довгого плеча (мал. 25.6, б).
Мал. 25.6
Які бувають види важелів? Як було сказано вище, вісь обертання важеля може бути розташована між плечима (мал. 25.7, а) — це важіль першого виду або на одному з країв плеча: важіль другого виду (25.7, б) і третього виду (мал. 25.7, в).
Мал. 25.7
У системі опорно-рухового апарату людини кістки, суглоби і м’язи утворюють своєрідні важелі. Наприклад, кивання головою діє як важіль першого виду. Твій череп є плечем важеля, а м’язи шиї забезпечують силу (зусилля), щоб підняти голову проти ваги голови (навантаження). Коли м’язи шиї розслабляються, голова нахиляється вперед (мал. 25.8, а).
Стійку навшпиньки тобі забезпечує важіль другого виду. У цьому випадку навантаження (вага тіла) міститься між точкою прикладання (шарніром, що міститься в суглобах пальців ніг), а литкові м’язи та ахіллове сухожилля забезпечують зусилля. За рахунок зусилля (скорочення литкових м’язів) тіло піднімається. Ступня діє як важіль (мал. 25.8, б).
У важелі третього виду навантаження міститься далі від точки обертання, ніж зусилля. Механічної переваги немає, тому що зусилля більше, ніж навантаження. Однак цей недолік компенсується більшим рухом. Цей тип важільної системи також дає нам перевагу для набуття набагато більшої швидкості руху. Зігнута рука — це важіль третього виду. Шарнір міститься в лікті, а передпліччя виконує роль плеча важеля. Двоголовий м’яз забезпечує зусилля (силу) і згинає передпліччя проти ваги передпліччя та будь-якої ваги, яку може тримати рука (мал. 25.8, в).
Мал. 25.8
Чим блок і коловорот подібні на важіль? Блок (block) — це колесо із жолобом, закріплене в обоймі. По жолобу блока пропускають трос або ланцюг. Нерухомим блоком називають такий блок, вісь якого закріплена і під час піднімання вантажів не рухається (мал. 25.9, а). Нерухомий блок можна розглядати як рівноплечий важіль, у якого плечі сил дорівнюють радіусу колеса (мал. 25.9, б). Такий блок не дає виграшу в силі, але дає можливість змінювати напрямок дії сили.
Мал. 25.9
Звичайно на практиці застосовують комбінацію нерухомого блока з рухомим (мал. 25.9, в). Рухомий блок піднімається й опускається разом із вантажем. Такий блок відповідає важелю, що має точку опори на одному кінці, а сили прикладені відповідно до центру важеля й до другого його кінця. У цьому випадку одне плече (ОВ) довше від другого (ОА) в 2 рази (мал. 25.9, г). Отже, рухомий блок дає виграш у силі в 2 рази. Нерухомий блок використовують разом із рухомим для зручності. Він не дає виграшу в силі, але змінює напрям дії сили, наприклад, дає змогу піднімати вантаж, стоячи на землі.
Окрім блоків, різновидом важеля є коловорот (wheel and axle). Він дає виграш у силі у стільки разів, у скільки довжина ручки коловорота R більша, ніж його радіус r (мал. 25.10).
Мал. 25.10
Мені здається, що похила площина в цьому випадку застосовується неефективно (мал. 25.11). А ти як гадаєш?
Мал. 25.11
Окремим різновидом похилої площини є гвинт (screw) (мал. 25.12, а, с. 218). Що дрібніша нарізка гвинта, то легше його закрутити, наприклад, у дерево. Гвинти, як правило, дають значний виграш у силі, тому їх застосовують у різних технічних пристроях для надійного з’єднання деталей. Ще одним різновидом похилої площини є клин (wedge) (мал. 25.12, б, с. 218). Клин утворюють одна або дві складені разом похилі площини. За принципом клина працюють, наприклад, ножі, голки, сокири та рубанки. Сила, яка діє на верхню поверхню клина, ділиться на сили, спрямовані у бічні сторони. Що менший кут клина, то більший виграш у силі можна отримати.
Мал. 25.12
ДУМАЙ
1. У чому полягає правило рівноваги важеля?
2. Чому дверні ручки ніхто не кріпить посередині дверей або біля петель?
3. Чому довгий стержень легше утримувати в горизонтальному положенні за середину, ніж за край?
4. У якому випадку важіль не дає виграшу в силі?
5. Чому зігнутою в лікті рукою можна підняти більший вантаж, ніж витягнутою?
6. Чому весляр береться за коротку частину весла?
7. Який виграш у силі дає нерухомий блок?
8. Якої ваги вантаж можна підняти за допомогою нерухомого блока, якщо тягнути мотузку із силою 100 Н?
УЧИСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ
ЗАДАЧА 1
На малюнку 25.13 зображено важіль, що перебуває в рівновазі. Визнач маси вантажів, якщо їх загальна маса 30 кг.
Мал. 25.13
ЗАДАЧА 2
За допомого рухомого й нерухомого блоків піднімають вантаж, докладаючи зусилля 250 Н. Визнач масу вантажу, якщо маса рухомого блока — 5 кг.
ДІЙ
РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ
1. До короткого плеча важеля підвішено вантаж вагою 4 Н. Плечі важеля відповідно становлять 20 см і 60 см. Обчисли силу, яку необхідно прикласти до довгого плеча, щоб важіль перебував у рівновазі.
2. Визнач силу, що діє на довге плече важеля, якщо до його короткого плеча прикладено силу 3,2 Н. Довжина важеля — 1,2 м, довжина короткого плеча — 30 см.
3. До кінців урівноваженого важеля завдовжки 1 м прикладено сили 2 Н і 18 Н. Визнач плечі важеля.
4. До кінця стержня масою 10 кг і завдовжки 40 см підвісили вантажі 400 Н і 100 Н. Де треба підперти стержень, щоб він перебував у рівновазі?
5. Яку силу F необхідно прикласти до кінця мотузки під час піднімання вантажу масою 200 кг за допомогою системи блоків так, як показано на малюнку 25.14? Тертям можна знехтувати.
6. Стержень, до одного кінця якого прикладено спрямовану вертикально вниз силу 100 Н, перебуває в горизонтальному положенні, якщо його підперти на відстані 0,3 довжини стержня від точки дії сили. Яка маса стержня?
Мал. 25.14
ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ
1. Спробуй кілька разів розламати сірник на рівні частини. Чому маленькі шматочки важче розламувати, ніж цілий сірник?
2. Знайди у себе вдома кілька пристроїв, дія яких ґрунтується на умові рівноваги важеля. Згрупуй їх за видами важелів. Проведи необхідні вимірювання та обчислення й дізнайся, який найбільший виграш у силі (або відстані) можна отримати за їхньою допомогою.
3. Виготов простий механізм власноруч, наприклад водяний гвинт Архімеда. Презентуй свій виріб, супроводжуючи розповіддю про його вплив на якість і спосіб життя людей.
ВИКОНАЙ ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
