0 0 0
Личный кабинет Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Простые механизмы

Содержание

    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.

    Одна из древнейших стройплощадок человечества — неолитический Стоунхендж.

    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.

    Были ли это кельтские жрецы или древние бритты, свидетели Мерлиновой бороды… Может, инопланетяне? Неизвестно даже и то, какую цель преследовали возводившие.

    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».

    Лопата? Лопата! Вообще-то является простым механизмом рычагового типа.

    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

    Даже гитарные колки. Двери, окна, тележки в супермаркетах, качели, пандусы. Пинцеты, ручки смесителя в ванной, колодца, велосипеды, внутренности ремонтного ящика, от гвоздодера до кусачек. Простые механизмы — основа нашей жизни.    

    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. 

    Упрощенный расчет длин траекторий лестницы на примере прямоугольного треугольника. Принцип: пройти два лишних метра, затратив при этом меньше мышечных сил.

    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. 

    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.

    Рисунок 1. Рычаг

    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.

    Рисунок 2. Блок

    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.

    Рисунок 3. Ворот

    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.

    Рисунок 4. Наклонная плоскость

    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.

    Рисунок 5. Винт

    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.

    Рисунок 6. Клин

    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.

    Это интересно: почему говорят «клин клином вышибают»?

    Этимология фразеологизма тесно связана с тем, как в старину раскалывали массивные бревна. Одним клином с такой задачей было не справиться: забитый до упора, он лишь частично раскалывал бревно.

    Ни клин не достать обратно, ни дров не нарубить. Поэтому рядом с забитым клином вбивали рядом другой — так, чтобы второй заходил глубже и вышибал первый. И так до тех пор, пока деревянный брусок не расколется напополам.

    Вот и выходит, что клин клином вышибают в прямом смысле. Один клин вышибают вторым. И откуда только взялась распространенная речевая ошибка «клин клином вышибает»?

    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?

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии
    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение