примеры механики в жизни

Простые механизмы: что это и как они работают

Шесть примитивных устройств, лежащих в основе самых сложных машин.

Что называют «простыми механизмами»

Умение облегчать себе труд с помощью технологий отличает человека от животного. Тысячи лет назад наши предки научились мастерить простые механизмы, которые способны увеличивать усилие, а также изменять направление прикладываемой силы. Принципы их работы лежат в основе любого орудия труда — от садовой лопаты до подъёмного крана.

Простые механизмы — приспособления, служащие для преобразования вектора силы по величине и/или направлению.

Виды простых механизмов

Теперь расскажем, как они работают. В этой статье мы рассмотрим действия идеальных механизмов, в работе которых не учитывается сила трения.

Работа простых механизмов

Наклонная плоскость

Подниматься по пологому склону горы легче, чем карабкаться по отвесной скале. Чем меньше наклон — тем легче его преодолеть. Это нехитрое наблюдение помогло людям создать простой механизм — наклонную плоскость.

Допустим, нам нужно поднять груз на определённую высоту. Конечно, можно сделать это непосредственно:

Правда, если груз большой, приложить достаточную силу будет нелегко. Но если поставить его на лёгкую тележку и вкатывать по наклонной плоскости, то понадобится гораздо меньше усилий.

Чем меньше угол наклона плоскости, тем больше выигрыш в силе.

Чтобы просто поднять груз весом в один килограмм, требуется усилие:

Теперь посмотрим, какое усилие понадобится, чтобы поднять этот груз на один метр, используя наклонную плоскость длиной десять метров:

Использование наклонной плоскости позволило нам выиграть в силе десять раз. Но путь, который нам пришлось пройти с грузом, также увеличился вдесятеро.

С помощью наклонной плоскости удобно не только поднимать грузы. Рассмотрим топор: его лезвие — это клин, боковые поверхности которого сходятся под острым углом, образуя наклонные плоскости. Когда мы вонзаем топор в полено, эти плоскости с огромной силой раздвигают волокна древесины и заставляют полено расколоться.

При ударе сила P вгоняет топор в дерево, и на его лезвие действуют сдавливающие силы F со стороны полена. Проекция каждой из сил F на плоскость симметрии лезвия (AB) равна

Поскольку они действуют с двух сторон, условие равновесия сил таково:

Чем длиннее и острее клин (то есть чем меньше угол), тем меньше может быть P по отношению к 2F. Угол лезвия обычного колуна — около 25°, соответственно сила Р примерно в пять раз меньше, чем 2F. Иными словами, чтобы расколоть полено, нужно приложить в пять раз меньше усилий, чем требуется, чтобы разорвать его.

Люди пользуются топорами уже более 9 000 лет. Гвозди, иглы и ножи работают по тому же принципу.

Клин придуман не человеком, а самой природой: например, клюв дятла легко вонзается в дерево благодаря оптимальной клиновидной форме.

Если свернуть наклонную плоскость в спираль вокруг цилиндра — получится винт.

Впервые описание винта встречается в работах древнегреческого учёного Архита Тарентского, жившего в V–IV веках до нашей эры. Знаменитый Архимед в III веке до нашей эры создал с помощью винта устройство для подъёма воды в оросительные каналы. Винты широко используют для крепления деталей, бурения отверстий и даже в качестве движителя сверхпроходимых шнекороторных вездеходов.

Резьба винта — это наклонная плоскость длиной l и высотой h, свёрнутая в трубочку. Когда мы наворачиваем гайку на болт, мы перемещаем её по наклонной плоскости.

Как и в случае с обычной плоскостью, выигрыш в силе равен отношению h к l, но теперь l рассчитывается по формуле длины окружности: ‍

‍Расстояние между витками называют шагом резьбы. Чем оно меньше, тем длиннее плоскость и больше выигрыш в силе.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72020 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучаются простые механизмы.

Рычаг

Простейший рычаг — это палка, способная вращаться вокруг неподвижной опоры. Принцип рычага используется при работе башенного крана, рычажных весов, кухонных ножниц и даже обычной лопаты. Интересно, что кости в наших конечностях тоже работают как рычаги.

У любого рычага есть точка опоры (О) и два плеча (длины l1 и l2), к которым в точках A и B прикладываются силы.

Вращение рычага зависит от приложенной к нему силы и от длины плеча. Чем больше сила и чем длиннее плечо, тем сильнее вращающее действие. Именно поэтому работать лопатой проще, держа её ближе к концу черенка, а нести груз на согнутой руке легче, чем на вытянутой.

Момент силы — произведение силы на длину плеча.

Рассчитаем моменты силы для обоих тел.

Тела находятся в равновесии, значит,

Чем больше будет длина плеча l2, тем меньшее усилие понадобится, чтобы уравновесить тело A. Так, при достаточной длине рычага можно поднять даже «неподъёмный» груз.

Чтобы просто поднять тело, нужно преодолеть силу тяжести:

Чтобы вычислить силу для поднятия тела рычагом, нужно приравнять соответствующие моменты сил:

Если l1 больше l2 в пять раз, то:

Увеличивая длину плеча, мы выигрываем в силе, но проигрываем в перемещении. Нам удалось уменьшить силу в 5 раз, но чтобы короткое плечо рычага поднялось на 10 сантиметров вверх, придётся опустить длинное на 50 сантиметров.

Частный случай рычага — блок. Так называют колесо с жёлобом, в который вложен трос.

Если ось колеса зафиксировать, к одному концу троса привязать груз, а за другой тянуть — получится простой механизм «неподвижный блок».

На груз действует сила тяжести F = mg. Чтобы удержать верёвку, требуется приложить такую же силу. Никакого выигрыша в величине силы неподвижный блок не даёт. Зато можно менять её направление — тянуть верёвку в любую сторону.

Если прицепить груз к оси колеса, один конец верёвки закрепить, а за другой тянуть — получится подвижный блок, который позволяет выиграть в силе в два раза.

Эффект достигается за счёт того, что блок с грузом поднимают как бы сразу две верёвки: за левую тянет человек, а правую натягивается вбитый в потолок гвоздь.

За выигрыш в силе приходится платить проигрышем в перемещении: чтобы поднять груз на нужную высоту h, понадобится выбрать вдвое большую длину и верёвки: l = 2h.

Ворот

Ворот издревле применяется для поднятия воды из колодца. К барабану, способному вращаться вокруг своей оси, прикреплены верёвка и рукоять. Когда мы вращаем рукоятку — вращается и цилиндр, а верёвка наматывается на него, поднимая или опуская груз.

Ворот действует по тому же принципу, что и рычаг: плечом силы в данном случае становится рукоятка, а плечом груза — радиус барабана. Чем длиннее рукоять относительно радиуса барабана — тем больше выигрыш в силе.

На рисунке длина рукояти равна трём радиусам барабана. Значит, он поднимает ведро с силой, в три раза большей, чем сила наших рук. При этом путь, который проходит рукоять ворота, в три раза длиннее куска верёвки, который в это время накручивается на вал.

Золотое правило механики

Все примеры простых механизмов, которые мы рассмотрели, имеют одно общее свойство, которое называют золотым правилом механики:

Во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении.

Произведение силы на перемещение в механике называется работой и обозначается буквой А:

где α — угол между векторами силы и перемещения. Если направления векторов совпадают, формула работы выглядит проще: A = F × S.

Сэкономить в силе больше, чем проиграть в перемещении — то есть выиграть в работе — не позволяет ни один механизм. Чем меньше силы нужно потратить при подъёме тела по наклонной плоскости, тем длиннее должна быть эта плоскость. Чем меньше сил нужно для воздействия на рычаг — тем длиннее должно быть его плечо.

«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю» — заявил Архимед. Теоретически он мог бы поднять груз, равный нашей планете, выбрав рычаг подходящей длины. Масса земли — примерно 6 000 000 000 000 000 000 000 тонн, в то время как человек в среднем способен поднять груз около 60 килограммов. А значит, плечо силы должно быть больше плеча груза в 100 000 000 000 000 000 000 000 раз. Поэтому чтобы плечо груза сдвинулось хотя бы на один сантиметр, учёному пришлось бы сдвинуть плечо силы на 1000 000 000 000 000 000 км. Даже со скоростью движения в 1 м/с на это ушло бы тридцать тысяч миллиардов лет.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Посмотреть на карте

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Источник

РОЛЬ МЕХАНИКИ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ СОВРЕМЕННОГО ОБЩЕСТВА

Механика как наука о движении материальных объектов представляется динамично развивающейся областью человеческих знаний, фундаментом современной техники. С каждым годом растет число задач, решенных учеными-механиками, и вместе с тем увеличивается количество проблем, ждущих своего решения. Новые проблемы появляются в результате развития технических возможностей и реализации амбициозных проектов. Это означает, что роль механики как науки, объясняющей поведение материальных объектов, возрастает по мере развития человеческой цивилизации. В глобальном аспекте математика и механика являются фундаментом, на котором строятся различные разделы человеческих знаний. Автор согласен с высказыванием родоначальника немецкой классической философии И. Канта: «Во всякой науке столько истины, сколько в ней математики», поскольку всякое человеческое знание призвано объяснять поведение окружающего нас мира на основе моделей, формирующихся из «кирпичиков» математических дисциплин.

Перечислим некоторые области человеческой деятельности, в которых механические знания играют определяющую роль. Создание новых образцов технических устройств: транспортные машины широкого профиля и соответствующая инфраструктура, строительные объекты различных типов, машины сельскохозяйственного назначения, медицинская и бытовая техника, роботы, буровая техника, трубопроводные системы, технические устройства военного назначения и т.д. Механика играет фундаментальную роль в таких науках, как астрономия, физика, метеорология, геология, космонавтика, биомеханика. Представляется, что автору не удалось охватить все области человеческой деятельности, в которых применение методов механики является определяющим.

Отметим связь механики с рядом направлений развития современной научной мысли и техники. Современные технические устройства появляются в результате синтеза идей, возникающих в различных областях научной деятельности человека. Это прежде всего классическая механика, теория деформируемых твердых тел, механика жидкости и газа, термодинамика, а также такие разделы физики, как электричество, теория электромагнитных взаимодействий, оптика, радиоэлектроника.

В ряде случаев приходится учитывать химические процессы, сопровождающиеся выделением тепла и движением среды, или использовать медико-биологические модели для объяснения движений живых существ.

Эти соображения приводят к мысли о том, что подготовка специалистов в различных областях должна носить фундаментальный, университетский характер, когда студенты знакомятся с широким спектром методов решения проблем, с которыми им предстоит иметь дело в будущем.

Россия является мировым лидером в области практической космонавтики, развитие которой немыслимо без использования идей и методов классической механики. Отметим, что успехи в этой и ряде других областей современной техники основываются на научных традициях и на существовании в России научных математических и механических школ, ведущих свое начало с XVTII—XIX вв. Недостаточная государственная поддержка этих традиций и отсутствие фундаментальной составляющей в образовательном процессе в высшей школе могут отбросить нашу страну на обочину мирового технического прогресса.

Отметим еще одно достоинство изучения фундаментальных дисциплин — формирование «пакета программного обеспечения биологического компьютера», головного мозга человека, что подготавливает его для успешной работы в любых областях человеческой деятельности. На современном этапе развития общества востребовано качественное образование, без которого невозможно решение проблем, стоящих перед обществом. В связи с этим представляется целесообразным повысить требования при приеме абитуриентов в вузы, ограничить число студентов, обучающихся в вузах на платной основе без соответствующего контроля качества. Как говорится, «лучше меньше, да лучше»: прорывные решения новых задач и проблем совершаются, как правило, небольшим количеством талантливых, широко образованных ученых.

Источник

Проектно-исследовательская работа «Простые механизмы в жизни человека»

МОУ «Луховский лицей»

Простые механизмы в жизни человека

Выполнили ученики 7А класса:

Рузманов Артём, Самсонов Кирилл,

Максимов Андрей, Маштаков Никита

Руководитель Смирнова С.Г.

Глава 1. Историческая справка

Первые простейшие машины

О египетских пирамидах

О тайнах строительства пирамид

3. Глава 2. Практическая часть

2.1. Простые механизмы в быту и технике

— ножницы по металлу

-блоки (подвижный, неподвижный)

2.2. Простые механизмы в жизни животных

2.2. Простые механизмы в жизни человека

-двуглавая мышца плеча –бицепс

Результаты наших исследований показывают, что

1)условие равновесия рычага выполняется для всех видов рычагов

2) золотое правило механики выполняется для всех видов простых механизмов

3)Простые механизмы в организме человека и животных либо позволяют выиграть в силе, либо увеличивают быстроту передвижения

С незапамятных времен человек использует для совершения механической работы различные приспособления.
Каждому известно, что тяжелый предмет, который невозможно передвинуть непосредственно, сдвигают с места при помощи достаточно длинной палки – рычага. С помощью рычагов три тысячи лет назад при строительстве пирамид в Древнем Египте передвигали и поднимали на большую высоту тяжелые каменные плиты.

Во многих случаях, вместо того чтобы поднимать тяжелый груз на некоторую высоту, его вкатывают или втаскивают на ту же высоту по наклонной плоскости или поднимают с помощью блоков.
Такие приспособления называют простыми механизмами.
Итак, приспособления, служащие для преобразования силы и для изменения ее направления, называют простыми механизмами.

Механизм: от греческого слова mechane – орудие, сооружение.

Машина: от латинского слова machina – сооружение.

Гипотеза : простые механизмы как устройства, позволяющие получить выигрыш в силе или скорости в технике, быту и природе

Цель исследования : исследовать все возможные явные и «скрытые» простые механизмы в быту, технике и организме человека

Объект исследования: простые механизмы

Предмет исследования – использование простых механизмов в повседневной жизни.

В соответствии с проблемой, объектом, предметом и целью исследования были поставлены следующие задачи:

познакомиться с историей возникновения и развития простых механизмов

заинтересовать и приобщить наибольшее количество детей к изготовлению простых механизмов

рассчитать выигрыш в силе, который могут дать простые механизмы

Актуальность исследования заключается в том, что позволяет расширить наши знания простых механизмах, умение видеть их в окружающем мире, применять для получения выигрыша в силе

Практическая значимость . Помогают получить выигрыш в силе или увеличить скорость

Для изучения данной темы мы выбрали следующие методы исследования:

опрос и анкетирование среди учащихся;

анализ литературы и других источников информации;

эксперимент, где на занятиях по исследованию простых механизмов выступает ученик

анализ полученных данных;

Глава 1.Историческая справка

Первые простейшие машины (рычаг, клин, колесо, наклонная плоскость и т.д.) появились в древности. Первое орудие человека – палка – это рычаг. Каменный топор – сочетание рычага и клина. Колесо появилось в бронзовом веке. Несколько позже стала применяться наклонная плоскость.

Уже в V веке до нашей эры в афинской армии (Пелопонесская война) применялись стенобитные машины – тараны, метательные приспособления – баллисты и катапульты. Строительство плотин, мостов, пирамид, судов и других сооружений, а также ремесленное производство, с одной стороны, способствовали накоплению знаний о механических явлениях, а с другой стороны, требовали о них новых знаний.

О жизни Архимеда известно немного, но его имя и творчество овеяны многочисленными легендами.

Архимед

Творческую деятельность Архимед начал как инженер, создавая различные механические приспособления, широко использовавшиеся в строительстве и быту. Всего Архимеду приписывают около 40 изобретений, в том числе такие, как винт и полиспаст. К этому периоду относится одно из первых сочинений «Книга опор», не дошедшая до нас, цитаты из которой приводит в своей «Механике» александрийский инженер и математик Герон. В сочинении давался расчет (правда, ошибочный) многоопорной балки и приводилась теория двуплечного рычага.

О египетских пирамидах.

Подсчитана общая масса каменных блоков, обработанных и уложенных в пирамиду. Она равна 6.5 миллионам тонн.

Выдвигаются различные гипотезы (в переводе с греческого – предположения) относительно способа подъема тяжелых каменных блоков на строительную площадку. Согласно одной из них, египтяне использовали для этого насыпи из кирпичей и грунта, которые шли наклонно от уровня земли до необходимой высоты. По мере роста высоты пирамиды, росла длина насыпи и ширина ее основания, чтобы сохранялся необходимый уклон (примерно 1:10) и чтобы насыпь не развалилась. Возможно, использовались несколько насыпей, которые подходили к пирамиде с разных сторон.

Какие недостатки у этого предположения? Длина насыпи должна была бы быть примерно 1500 м, объем такой насыпи примерно в 3 раза больше объема пирамиды. При большей крутизне по ней невозможно втаскивать тяжелые блоки. Насыпи из кирпича и грунта будут оседать под собственным весом.

Согласно другой гипотезе, строители могли использовать плоскость спиральной формы из кирпича. Такая наклонная плоскость требует гораздо меньше материала. Она могла воздвигаться вокруг пирамиды вплотную к ее граням, постепенно поднимаясь вместе с ней вверх.

Какие недостатки у этого предположения? Спиральная насыпь и строительные леса перекроются и займут все свободное пространство задолго до вершины, а углы окажутся самым труднопреодолимым местом во всей конструкции.

О тайнах строительства пирамид.

Что же говорит о тайнах пирамид современная наука? Доказано, что строительная техника древности позволяла возводить столь монументальные сооружения. Блоки из известняка вырубали в каменоломнях и на месте обрабатывали – обтесывали и полировали. Выполняли эту операцию медными инструментами. Камень отделывали тщательно, чтобы в дальнейшем блоки плотно прилегали друг к другу. Мастера добивались удивительных результатов – и тысячелетия спустя между гранями соседних плит нельзя протащить даже нитку. Затем многотонные блоки, используя полозья-волокуши и простые рычаги, грузили на баржи и в период половодья по специально прорытым каналам отправляли к месту строительства.

Храм Артемиды в Эфесе

Храм Артемиды в Эфесе (построен около 550 г. до нашей эры) был одним из самых красивых и знаменитых творений греческой архитектуры и считался третьим чудом света (работа с картой).

Руководители строительства Херсифрон и Метаген при возведении храма столкнулись со сложной проблемой: как перевезти по рыхлой почве тяжелые колонны и блоки из каменоломни к месту работы? Опыт Египта, где на строительство пирамид фараоны согнали тысячи рабов, в Греции был неприменим. Выход был найден: колонну, особым образом прикрепленную к деревянной раме, как бы превращали в каменный каток. А перекатывать тяжести гораздо легче, чем катить. Для прямоугольных блоков Метаген придумал другой способ: каждый блок, как ось, вставляли в огромные деревянные колеса около 4 м в диаметре и катили до места строительства. Для поднятия грузов на высоту греки изобрели подъемные краны, состоящие из блоков, канатов и лесин

Глава 2. практическая часть

2.1 Простые механизмы в быту и технике

1. Ножницы по металлу – это рычаг, ось вращения которого проходит через винт, соединяющий обе половинки. Действующей силой является мускульная сила руки человека, сжимающего ножницы. Ручки ножниц гораздо длиннее лезвий, т.к. сила сопротивления железа достаточно велика и для её уравновешивания меньшей силой нужно взять большее плечо. (Демонстрация)
2. Ворот часто используют, чтобы поднимать воду из колодца. Ворот – это не что иное, как вид рычага. Он имеет барабан, насаженный на вал, и приводится в движение с помощью ручки. Чем больше радиус ручки по сравнению с радиусом вала, тем больше выигрыш в силе. Можно получить выигрыш в силе гораздо больше, но слишком большой радиус ручки делать не следует, т.к. крутить такую ручку при подъёме воды будет неудобно, а слишком большой проигрыш в расстоянии даст очень малую скорость подъёма, что тоже неудобно. Однако ручку можно заменить колесом или системой спиц. (Демонстрация)

3. Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. По желобу блока пропускают веревку, трос или цепь.

а) подвижные б)неподвижные
Неподвижным блоком называют такой блок, ось которого закреплена и при подъеме груза не поднимается и не опускается.
Блок, ось вращения которого поднимается и опускается вместе с грузом, называют подвижным блоком.
Используя неподвижный блок, можно менять направление действия силы, а применяя подвижный блок, получить выигрыш в силе в два раза. В технике используют комбинации подвижных и неподвижных блоков. Такое устройство называется полиспаст. Полиспаст изобрёл Архимед; он используется для поднятия больших тяжестей и даёт выигрыш в силе во много раз.
Рассмотрим его действие. Состоит полиспаст из двух групп блоков; одна группа насаживается на общую ось и закрепляется неподвижно. А вторая группа блоков, насаженных на другую ось, может подниматься и опускаться вместе с грузом, т.е. является подвижной. Блоки действуют независимо друг от друга. Вес груза распределяется между блоками поровну. (Демонстрация)
Блоки

6. Наклонная плоскость. Позволяет получить выигрыш в силе. Поднимая груз вертикально. Мы затрачиваем меньше усилие, чем при втаскивании по наклонной плоскости. Во сколько раз высота накл плоскости больше чем ее длина, во столько раз мы выиграем в силе

7. Рычажные весы- равноплечий рычаг. Выигрыша в силе не дают, но он и не нужен. Служат для взвешивания-сравнения массы тел с массой гирь

2.2. Простые механизмы в организме животных

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, у человека – кости рук и ног, нижняя челюсть, череп, пальцы. У кошек рычагами являются подвижные когти; у многих рыб – шипы спинного плавника; у членистоногих – большинство сегментов их наружного скелета; у двустворчатых моллюсков – створки раковины. Рычажные механизмы скелета в основном рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Особенно большие выигрыши в скорости получаются у насекомых.

2.3.Простые механизмы в организме человека

Сила наших рук (на скелете человека)

Какой груз вы можете поднять рукой? Положим, что 10 кг. Вы думаете, что эти 10 кг определяют силу мускулов ваших рук? Ошибаетесь: мускулы гораздо сильнее! Проследите за действием, например, так называемой двуглавой мышцы вашей руки. Она прикреплена близ точки опоры рычага, каким является кость предплечья, а груз действует на другой конец этого живого рычага. Расстояние от груза до точки опоры, то есть до сустава, почти в 8 раз больше, чем расстояние от конца мышцы до опоры. Значит, если груз составляет 10 кг, то мускул тянет с силой, в 8 раз большей. Развивая силу в 8 раз большую, чем наша рука, мускул мог бы непосредственно поднять не 10 кг, а 80 кг.

Мы вправе без преувеличенья сказать, что каждый человек гораздо сильнее самого себя, то есть, что наши мускулы развивают силу, значительно большую той, которая проявляется в наших действиях.

Локоть – точка опоры этого рычага. Одна из сил приложена к ладони. Плечо этой силы – расстояние от локтя примерно до середины ладони. Вторая сила – это сила напряжения бицепса, который прикреплен к рычагу совсем недалеко от локтя. Плечо второй силы намного меньше плеча первой.

Ход выполнения работы

1. Измерим линейкой плечи сил на собственной конечности или на рентгеновском снимке. Место соединения бицепса и кости-рычага хорошо прощупывается, и оцените расстояние от локтя до этого места.

Источник