Простые механизмы

Что такое простые механизмы? А если задуматься, в чем заключается их «простота»? Вот вам небольшой спойлер: всевозможные виды простых механизмов окружают нас повсюду — от кухни до подъезда. А еще каждый из нас тем или иным образом пользовался связанным с механизмами важным принципом под кодовым названием «механический выигрыш». Что же, все это занимательно и требует скорейшего пояснения.

Простейшие механизмы: экскурс в доисторическое

Представьте себе трехтысячный год до нашей эры. Действие разворачивается на территории современного графства Уилтшир в Англии. На живописных равнинах, разумеется.

Шумная ватага людей решительно тащит громадный тридцатитонный кремнистый песчаник, в то время как рядом кипит основная работа. Туда-сюда то и дело снуют крепкие ребята с бревнами. Они оперативно перекатывают и подкладывают спереди округлые деревяшки, выкатившиеся из-под камня сзади.

Короче говоря, транспортировочная суета. Вот так, в нескольких словах можно описать процесс самой загадочной стройки и мистической человечества — процесс сооружения мегалитического Стоунхенджа. И никому доподлинно неизвестно, кто возвел это чудо света.

Археологи, историки и ученые всего мира до сих пор бьются над разгадками тайн постройки этого сооружения каменного века. Однако одно все же известно. Наши предки, еще задолго до изобретения колеса, кое-что понимали в физике. Иначе как бы им удавалось в двадцать рук перемещать на огромные расстояния объекты массой более $30~т$?

Тридцать тонн — невероятная масса. К примеру, профессиональные пауэрлифтеры способны поднимать штанги порядка массой 300-400 килограммов за подход.

Что это значит? Нам пришлось бы отправить в прошлое примерно 85 натренированных спортсменов, чтобы обычной тягой сдвинуть с места неолитический валун. Да, наших предков из каменного века недооценивать не стоит. Особенно их смекалку. 

Что такое простой механизм?

История стара как мир: при меньшем получить больше.

Таков закон нашего существования в природе. Ресурсы человека ограничены, условия жизни — быстротечны и непредсказуемы, потребности — велики. А чтобы процветать и выживать необходимо умение не только подстраиваться, но и использовать с умом то, что дано. В конце концов, умение облегчить себе труд — это то, что выделяет нас на фоне других животных.

Именно поэтому технологические решения всегда развивались параллельно с человеком. Мы всегда были, есть и будем в поиске. В поиске того, что могло бы помочь нам выгадывать больше, вкладываясь меньше. И практически все, что мы придумывали во имя этой цели на протяжении тысячелетий, можно отнести к понятию «простой механизм».

Механизм — это устройство, повышающее производительность труда и облегчающее его выполнение.

Задача его проста — преобразовывать энергию и передавать движение. К механизму прикладывается сила, которую он в свою очередь «перерабатывает» и передает телу, совершая работу. Обычно наименьший неделимый элемент механизма называется простым или простейшим.

Что называют простыми механизмами?

Простой механизм — устройство, служащее для преобразования силы. 

Механизмы помогают нам везде. Начать с того, что в скелете человека все кости, имеющие свободный ход, являются «простыми механизмами» — рычагами. Продолжить можно чем угодно. Например, хоть содержимым кухонного шкафчика: ножи, топорики для рубки мяса, открывашки, штопоры, ножницы и прочее.

Еще примеры простейших механизмов!

Скрыть

Основы простых механизмов

Для того чтобы понять, за счет чего простой механизм облегчает работу, вспомним формулу с прошлых уроков и проанализируем входящие в ее состав величины:
$A =F\cdot{s}$.

Механическая работа всегда связана с двумя переменными: силой $F$ и перемещением $s$.

По математике формулы очевидно следующее: с увеличением расстояния перемещения, сила, необходимая для совершения того же объема работы, уменьшается. К тому же, так как сила — вектор, с помощью механизма мы можем изменять не только ее величину, но и направление. 

Механизм и изменение расстояние применения силы

Вам в руки дают перевязанную стопку книг и просят поднять ее на второй этаж. Варианта два. Первый, для любителей погорячее: попробовать стопку закинуть.

Второй, вменяемый: поднять ее постепенно по лестнице. Лестница увеличивает расстояние применения силы $s$, поскольку длина траектории гипотенузы больше, чем у любого из катетов. Однако сил при этом прикладывать придется меньше. Иными словами, идти дольше, но проще. 

Простой механизм и прикладываемая сила

Вернемся к разговорам о содержимом кухонного ящика и подумаем о лежащей там открывашке. Прикладывая небольшую силу к концу ручки открывашки, вы легко откупорите любую бутылку. Ведь на крышку будет действовать бóльшая сила на другом конце.

Попробуйте отпилить от открывашки половину ручки, но проделать наряду с этим те же действия. Теперь вы сразу почувствуете, что открывать бутылку стало в разы сложнее. Почему? Потому что изменилась величина значения силы $F$. Не в нашу пользу.

Простой механизм и направление вектора силы

Переместимся на плавательное судно. Нам дали задание: перед отплытием поднять флаг. Конечно, можно в стиле Человека-Паука эффектно залезть на флагшток и справиться с задачей вручную, но лучше было бы, дабы не шокировать членов экипажа, воспользоваться обычным блоковым механизмом. Можно намотать на колесико веревку так, чтобы входная сила была направлена перпендикулярно вниз, а выходная — перпендикулярно вверх.

Флаг тридцать тонн не весит, но с помощью механизма мы задали силе противоположное направление и немного выиграли. Теперь лезть забираться не придется.

Механический выигрыш

«Немного выиграли» —  вся суть механизмов. Благодаря простым механическим устройствам мы меняем направление силы, расстояние ее применения, непосредственно значение силы и все ради того, чтобы получить выигрыш в силе.

Определить механический выигрыш с точки зрения физики можно так:

Механический выигрыш — величина увеличения силы, получаемая в результате работы простого механизма. 

Когда говорят «выигрыш в силе в пять раз», имеется в виду, что для совершения такой же работы $A$, вместо силы $F$ достаточно приложить силу $\frac{F}{5},$ то есть в пять раз меньше.

Величина работы никогда не меняется. Меняется либо сила, либо расстояние. Выигрыш рассчитывается отношением двух сил:
$\frac{F_1}{F_2},$
где $F_1$ — сила, с которой механизм действует на тело, $F_2$ — сила, с которой механизм приводится в действие. 

{"questions":[{"content":"Простые механизмы позволяют уменьшить величину работы $A$[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Верно","Неверно"],"explanations":["","Величина работы никогда не меняется — меняется либо сила, либо расстояние."],"answer":[1]}},"hints":[]},{"content":"Что может менять простой механизм?[[choice-14]]","widgets":{"choice-14":{"type":"choice","options":["Расстояние применения силы $s$","Величину значения силы $F$","Направление вектора силы $\\vec{F}$","Величину работы $A$"],"explanations":["","","","Величина работы никогда не меняется — меняется либо сила, либо расстояние."],"answer":[0,1,2]}},"hints":[]}]}

Виды простых механизмов

Простые механизмы по тому, какой выигрыш в силе предоставляют, делятся на два типа: рычаг и наклонная плоскость. У рычага встречается две разновидности: блок и ворот. Наклонная плоскость так же встречается с двумя разновидностями: винтом и клином.

Чисто технически вы будете правы, если скажете, что мир устроен и построен на шести простых механизмах.

Рычаг

Рычаг представляет собой перекладину, которая вращается вокруг неподвижной точки опоры. Этот простой механизм помогает поднимать тяжелые предметы, уравновешивать их. Пример простого рычага — качели-балансиры.

Блок

Блок — еще один представитель класса «виды простых механизмов», хоть не выглядит он на первый взгляд просто. В житейском понимании можно сказать, что блок представляет собой веревку, намотанную на колесо.

Механический выигрыш задает тем, что меняет направление силы. К тому же, тянут веревку обычно вниз, поднимая тем самым груз наверх. А это значит что? Правильно: нам еще и помогает сила тяжести.

Ворот

Ворот — тоже разновидность рычага, дающий отличный выигрыш в силе. Простой механизм принципа «ось-колесо». Ось — цилиндр, который фиксирует колесо на месте, а колесо на этой оси вращается.

Входная сила прикладывается к оси, давая выходную силу в виде вращательного движения колеса. Вспомните велосипед: чем активнее вы нажимаете на педаль, тем быстрее двигаетесь.

Наклонная плоскость

Наклонная плоскость изображена на рисунке ниже. Ранее упомянутый нами в примере лестничный проем — яркий пример того, как выглядит механизм по типу наклонной плоскости.

Это поверхность, у которой один край расположен выше другого. Кстати, именно в наклонных плоскостях кроется секрет постройки древних пирамид Египта. А как подобное можно было соорудить, не имея выигрыш в силе?

Винт

Если взять наклонную плоскость, обернуть ее вокруг цилиндра, то мы получим винт — простой механизм, который используется для того, чтобы что-то опускать, поднимать или обычно дабы удерживать два тела вместе.

Типичная крышка от банки или бутылки — показательный пример винта. А вот вкрутить даже маленький винтик — задача посложнее, поскольку винтовые механизмы значительно увеличивают расстояние применения силы. Чтобы сравнить, можно взять два винта и кусок поролона. Один винт в него вдавить, другой вкрутить. А теперь попробуйте вдавить винт в стену… Вот вам и выигрыш в силе.

Клин

Если представить две наклонные плоскости, сходящиеся в одной точке, выйдет то, что называется клином.

Он помогает удерживать предметы на месте, а также раскалывать тела или отделять от них части. Ножи, мечи, топоры и прочие режущие предметы по механике действия классифицируются как клинья. Кстати, на корпусе самолета они тоже есть: самолетные клинья помогают рассекать при движении воздух подобно тому, как кухонный нож прорезает свежий огурчик.

Итоги

Так что же, простые механизмы насколько эффективны, что знаменитая архимедова «угроза» про переворот Земли — правда? 

А давайте забежим немного вперед и посчитаем. Допустим, среднестатистический человек способен поднять предмет весом около $60~кг$. Масса нашей планеты составляет примерно $6\cdot{10^{24}}~кг$. Какое же расстояние Архимеду пришлось бы преодолеть, чтобы поднять Землю?

Немного математической магии рычагов, о которой вы узнаете совсем скоро, и… выходит один миллион триллионов километров, он же квинтиллион.

Миллион триллионов выглядит неутешительно: 1 000 000 000 000 000 000. Даже из расчета скорости движения $1\frac{м}{с}$ не то что жизни не хватит — не хватит и миллиарда жизней. Можете посчитать самостоятельно.

Подсказка: возраст Земли — четыре с половиной миллиарда лет. Так вот, пока Архимед будет двигать свой рычаг, Земля успеет пережить более 6000 циклов идущих друг за другом Больших взрывов и апокалипсисов. Да и дали бы мы Архимеду точку опоры, пусть так. Вопрос в другом: как сконструировать рычаг такой неимоверной длины в земных условиях? 

А как же его после переместить в космическое пространство?