Для чего применяют простые механизмы

Простые механизмы: что это такое, виды простых механизмов

Содержание:

Простые механизмы – это механические агрегаты, применяемые для направления силы либо её величины. Их называют дающими выигрыш в силе устройствами. Рассмотрим распространённые виды простых механизмов. Кратко коснёмся принципов их функционирования, приносимой пользы, целей применения.

Определение и разновидности

Из уроков истории известны факты применения приспособлений для метания снарядов, перемещения строительных материалов, передачи механической энергии. Они вызывали движения, преодолевающие большие силы, особенно противодействующие им в начале процесса, например, сдвигание тяжелого камня с места. Из предыдущих уроков вы знаете, что такое механическая работа. Она вычисляется как произведение приложенной к телу силы на преодолённое под её действием расстояние: A = F*s.

Природа создана так, что в замкнутой системе получить выигрыш в работе нельзя. Во сколько раз меньшую силу приложите, во столько проиграете в расстоянии – тело придётся перемещать дальше и наоборот. Простые механизмы применяют для того, чтобы развивать силы, равные по модулю и противоположные по значению противодействующим движению силам.

При расчётах величиной сил трения могут пренебрегать.

Простые механизмы в физике

Рычаг, как любой простой механизм, – преобразователь сил.

Блок – равноплечий рычаг. Представлен вращающимся колесом с желобком для верёвки по всей длине окружности. Неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а направляет её. Ось подвижного блока располагается в обоймах, двигается с ними, поэтому позволяет управлять силой. Для получения выигрыша также применяются сдвоенные блоки разного диаметра, насаженные на одну ось.

Ворот – модифицированный двойной блок, ранее применяемый для перетаскивания и подъёма грузов на небольшие расстояния либо высоты. В вороток вставляются длинные спицы, играющие роль большего блока, с радиусом большим, чем у меньшего блока.

В технике также применяют:

Распространены простые механизмы, такие как винт и клин. Пример клина – лезвие колуна. По тыльной стороне инструмента наносятся удары, например, кувалдой, и устройство погружается в древесину, раскалывая её. Чем меньше угол заточки лезвия, тем проще оно входит в дерево.

Клин применяется и для подъёма грузов. Особенность обоих видов клина – значительная сила трения, действующая между телом и боковыми гранями приспособления.

Винт работает по принципу клина, где вместо ударов совершается вращение крупного болта с малым шагом резьбы. Применяется в прессах, колунах, домкратах, при завинчивании крепежей (саморезов).

Примеры простых механизмов в повседневной жизни:

Какие простые механизмы вы знаете и используете в быту кроме названных? К какой категории отнести дверь в автомобиле, тиски, лебёдку?

Источник

Простые механизмы. Рычаг Архимеда.

1. Понятие о простых механизмах

Называют устройства, которые изменяют направление действия силы.

2. История возникновения простых механизмов

Древнегреческий ученый Архимед первый создал и использовал простые механизмы, для защиты своего города Сиракузы от римлян.

3. Виды простых механизмов и их практическое значение

К простым механизмам относятся: наклонная плоскость, рычаг, блоки (подвижный и неподвижный), клин, винт, ворот. Примеры. Наклонная плоскость используется для подъема грузов на автомобили. Рычаг применяют в устройстве весов, подъемных кранов и т. д. Блоки применяют в устройстве лифтов. Клин удерживает колесо на оси автомобиля, велосипеда. Винт используют при изготовлении мебели. Ворот для подъема воды в колодцах.

4. Понятие рычага, его устройство и действие

Рычагом называют твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси.

Рассмотрим устройства и действия рычага. У рычага есть ось вращения и плечи. Плечом называют кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.

5. Условия равновесия сил на рычаге

Рычаг находится в равновесии, если силы действующие на него обратно пропорциональны плечам.

6. Формулы равновесия сил

М = F * L — момент сил, называют произведение силы на плечо.

Момент обозначается буквой М. Измеряется в единицах: Н * м.

7. Правила моментов

1. Рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил равна нулю.

2. Рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил вращающих рычаг по часовой стрелке, равна сумме моментов сил вращающих против часовой стрелки.

8. Блоки и получение выигрыша в силе и расстоянии

В механике используются блоки, которые бывают двух видов: подвижные и неподвижные. Неподвижный блок это колесо с желобом. Неподвижный блок используется для подъема различных грузов, но он не дает выигрыша в силе. Сила, приложенная для подъем, равна силе тяжести груза, так как плечо силы равно плечу груза. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза, так как плечо силы в два раза больше плеча груза. Простые механизмы широко применяются в сельском хозяйстве, в быту, в технике и так далее.

9. Золотое правило механики

Для простых механизмов выполняется Золотое правило механики. Золотое правило заключается в том, что:

Простые механизмы не дают выигрыш в работе, во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрывают в расстоянии и наоборот.

Источник

Простые механизмы.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: простые механизмы, КПД механизма.

Рычаг.

Рис. 1. Рычаг

Из этого соотношения следует, что рычаг даёт выигрыш в силе или в расстоянии (смотря по тому, с какой целью он используется) во столько раз, во сколько большее плечо длиннее меньшего.

Например, чтобы усилием 100 Н поднять груз весом 700 Н, нужно взять рычаг с отношением плеч 7 : 1 и положить груз на короткое плечо. Мы выиграем в силе в 7 раз, но во столько же раз проиграем в расстоянии: конец длинного плеча опишет в 7 раз большую дугу, чем конец короткого плеча (то есть груз).

Неподвижный блок.

Важной разновидностью рычага является блок — укреплённое в обойме колесо с жёлобом, по которому пропущена верёвка. В большинстве задач верёвка считается невесомой нерастяжимой нитью.

На рис. 2 изображён неподвижный блок, т. е. блок с неподвижной осью вращения (проходящей перпендикулярно плоскости рисунка через точку ).

Зачем же тогда вообще нужен неподвижный блок? Он полезен тем, что позволяет изменить направление усилия. Обычно неподвижный блок используется как часть более сложных механизмов.

Подвижный блок.

Следовательно, подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза. При этом, однако, мы в те же два раза проигрываем в расстоянии: чтобы поднять груз на один метр, точку придётся переместить на два метра (то есть вытянуть два метра нити).

Принципиально данное устройство ничем не отличается от подвижного блока: с его помощью мы также получаем двукратный выигрыш в силе.

Наклонная плоскость.

Как мы знаем, тяжёлую бочку проще вкатить по наклонным мосткам, чем поднимать вертикально. Мостки, таким образом, являются механизмом, который даёт выигрыш в силе.

Выберем ось так, как показано на рисунке. Поскольку груз движется без ускорения, действующие на него силы уравновешены:

Проектируем на ось :

Именно такую силу нужно приложить, что двигать груз вверх по наклонной плоскости.

Широко применяемыми разновидностями наклонной плоскости являются клин и винт.

Золотое правило механики.

Простой механизм может дать выигрыш в силе или в расстоянии, но не может дать выигрыша в работе.

т. е. той же величине, что и без использования рычага.

т. е. ту же самую, что и при вертикальном поднятии груза.

Данные факты служат проявлениями так называемого золотого правила механики.

Золотое правило механики. Ни один из простых механизмов не даёт выигрыша в работе. Во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии, и наоборот.

Золотое правило механики есть не что иное, как простой вариант закона сохранения энергии.

КПД механизма.

На практике приходится различать полезную работу A полезн, которую нужно совершить при помощи механизма в идеальных условиях отсутствия каких-либо потерь, и полную работу Aполн,
которая совершается для тех же целей в реальной ситуации.

Полная работа равна сумме:
-полезной работы;
-работы, совершённой против сил трения в различных частях механизма;
-работы, совершённой по перемещению составных элементов механизма.

Так, при подъёме груза рычагом приходится вдобавок совершать работу по преодолению силы трения в оси рычага и по перемещению самого рычага, имеющего некоторый вес.

Полная работа всегда больше полезной. Отношение полезной работы к полной называется коэффициентом полезного действия (КПД) механизма:

КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.

Ускорения нет, поэтому силы, действующие на груз, уравновешены:

Проектируем на ось X:

Проектируем на ось Y:

Полная работа равна произведению силы F на путь, пройденный телом вдоль поверхности наклонной плоскости:

Источник

Простые механизмы

Всего получено оценок: 191.

Всего получено оценок: 191.

Простые механизмы находят широчайшее применение в жизни и деятельности человека. Рассмотрим особенности их работы более детально.

Виды простых механизмов

Человек отличается от животных способностью широко использовать орудия труда. Они позволяют ему достигать желаемых целей гораздо проще и эффективнее. Во многих случаях без орудий труда поставленная цель вообще недостижима.

Любое орудие труда может быть разложено на элементы, представляющие простейшие комбинации механических частей, имеющие много общего между собой. Большинство таких элементов лишь передают внешнее усилие на другие части орудия. Они объединяются под общим названием «простые механизмы».

Простые механизмы – это механические приспособления, служащие для преобразования вектора силы по величине и(или) направлению.

К простым механизмам в механике принято относить два важнейших приспособления:

Оба этих простых механизма способны изменять направление вектора приложенной силы и даже менять его модуль.

Кроме того, многие авторы к простым механизмам также относят колесо и поршень. Колесо не меняет направление вектора силы, однако, оно существенно уменьшает потери на перемещение тела по ровной поверхности. Поршень же преобразует энергию газа или жидкости в механическую энергию перемещения.

Действие простых механизмов

Как было указано выше, простые механизмы предназначены для преобразования вектора силы. Но, делают они это по-разному.

Наклонная плоскость

Действие наклонной плоскости заключается в том, что при движении вдоль нее, возникает сила реакции опоры, перпендикулярная этой плоскости, которая, как правило, больше силы, продвигающей тело.

Рис. 1. Наклонная плоскость h L.

Винт – это та же наклонная плоскость, свернутая вокруг вертикальной оси, что позволяет значительно уменьшить ее габариты.

Рычаг

Рычаг – это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры, и имеет две разные точки приложения сил. Отрезки, соединяющие точки приложения сил с опорой, называются плечами рычага.

Рис. 2. Рычаг физика.

То есть, если первое плечо будет иметь длину 3м, а второе 1м, то с помощью силы 10Н, приложенной к первому плечу можно создать на втором плечо усилие:

Блок – это, фактически, такой же рычаг с фиксированными длинами плеч. Для неподвижного блока плечи равны, для подвижного – одно плечо вдвое длиннее второго.

Простые механизмы используются не только человеком, но и Природой. Клювы многих птиц имеют форму клина, позволяющего добывать насекомых, раздвигая относительно небольшим усилием плотные древесные волокна. Примерами рычага являются конечности позвоночных. За счет свойств рычага совсем небольшое сокращение мышцы животного преобразуется в значительный размах конечности.

Что мы узнали?

Простые механизмы – это приспособления, служащие для преобразования вектора силы. К простым механизмам относится наклонная плоскость (клин, винт) и рычаг (ворот, блок). Широкое применение простых механизмов обуславливается их простотой и эффективностью.

Источник

Работа и простые механизмы

В физике простыми механизмами называют приспособлении типа рычагов или винтов. Они предназначены для того, чтобы уменьшить необходимое для производства работы усилие человека и использовать это усилие наиболее эффективно. Часто несколько простых механизмов соединяют вместе. В результате получаются более сложные механизмы — сверла, часы. Колесо — одно из важнейших изобретений человечества. На нем основано действие многих механизмов.

Работа и мощность

Работа — физический термин, применяемый при рассмотрении движении тела под воздействием силы. Работа производится только тогда, когда есть передвижение тела и направлении действия силы. Тягловая сила быков и усилие человека заставляют плуг двигаться, значит, производиться работа. Работа — это передача энергии от одного тела к другому. Как и энергия, работа измеряется в джоулях (Дж). 1 Дж равен работе (и затраченной энергии), произведенной при передвижении тела на 1 метр силой в 1 Н. Челочек, толкает ящик на З метра, прикладывая силу в 100 Н. Значит, проделана работа и в 300 Дж.

Мощность — это скорость, с которой производится работа (или передается энергия). Единица мощности — ватт (Вт); названа и честь Джеймса Уатта (см. статью «Двигатели»). Что­бы вычислить мощность, нужно работу разделить на затраченное на нее время. Если мы хотим передвинуть этот ящик не за 2 минуты, а за одну, то нам потребуется вдвое большая мощность.

Усилие и нагрузка

Чтобы сдвинуть тело с места, необходи­мо преодолеть известную силу, называемую нагрузкой; часто это просто вес тела. Простые механизмы помогают человеку более эффективно использовать прилагаемое усилие. Нагрузка равна силе, развиваемой отверткой; она больше, чем затраченное человеком усилие. Усилие — это сила, поворачивающая рукоятку. Разделив нагрузку на усилие, мы получим отношение, называемое выигрышем в силе. Сжимая ручки щипцов, мы прикладываем к ним силу в 1 Н. При этом нам необходимо преодолеть нагружу в 4 Н, чтобы расколоть орех. Значит, выигрыш в силе равен 4:1. Если выигрыш в силе равен 4:1, это значит, что сила, прикладываемая механизмом к объекту, вчетверо превышает усилие человека. Такие механизмы называются усилителями.

Рычаги

Рычаг — это стержень, поворачивающийся вокруг неподвижной точки опоры. Рычаг облегчает манипуляции с тяжелыми грузами. Типы рычагов различаются положением точки опоры по отношению к месту приложения усилия и нагрузки. В рычагах первого типа точка опоры находится между точками приложении усилии и нагрузки. В рычагах второго типа па группа находится между точкой приложения усилии и точкой опоры. В рычагах третьего типа (см. рис.) усилие прикладывается между нагрузкой и точкой опоры. Чем дальше точка опоры от места усилия, тем легче работать с рычагом (подробнее об этом читайте в статье «Силы», раздел «Вращающие силы»). Естественно, чаще используются более длинные рычаги.

Колесо

Когда колесо поворачивается, то на его ось действует большая сила, чем на обод. Этот эффект используется для получения выигрыша в силе, например в рулевом колесе. Чем больше руль, тем легче поворачивается его ось. Когда колесо фонографа поворачивается, на ось воздействует сила, достаточная для действия механизма. При повороте оси колесо переводит вращательное движение в прямолинейное движение, благодаря чему с его помощью возможно перемещение грузов. Точки обода колеса проходят большее расстояние, чем ось, т.к. диаметр колеса больше диаметра оси. Колесики роликовых коньков поворачиваются вокруг своих осей, и благодаря этому ботинок движется прямолинейно.

Зубчатая передача

Зубчатая передача используется в различных сложных машинах, от автомобиля до часов, для изменения вращающей силы и скорости вращения. В такой передаче изменяется направление и величина вращающего усилия. Для зубчатой передачи необходимы два и более зубчатых колеса; зубцы одного точно входят в пазы другого. Тогда вращение одного ко­леса вызывает вращение другого. Большая шестерня заставляет маленькую вращаться быстрее, и наоборот. Действие механических часов основано на сложной системе взаимосвязанных зубчатых колес.

Винты

Винт — это стержень с резьбой, т. е. его можно рассматривать как наклонную плоскость, «надетую» на цилиндр. Стержень — это цилиндр, а резь­ба — наклонная плоскость. Чтобы погрузить штопор в пробку, его приходится повернуть, много раз, но это всё же легче, чем вонзить его без вращения. Вращающая сила благодаря резьбе превращается в силу, действующую вдоль оси винта. Эта сила заставляет винт погружаться в препятствие. Спиральная лестница – это тот же винт. Идти по ней долго, тем не менее карабкаться вертикально вверх ещё труднее.

Блок

Блок облегчает подъем тяжелых грузов. На нем основано действие лифтов и кранов. Груз укрепляют на конце каната, переброшенного через колесо (или систему колес) с желобком на ободе. Если потянуть другой конец каната, груз начнет подниматься. Чтобы поднять тело при помощи блока, вы должны тянуть вниз: при этом вес нашего тела помогает процессу. Чем больше колес входит в блок, тем легче поднимать груз, так как его вес распределяется по большему участку каната. такой кран может поднять вчетверо больший груз, чем одноколесный блок, так как вес распределён по четырём участкам каната.

Вот как работает рычаг первого типа. Положите на карандаш плоскую деревянную или металлическую полоску, например прочную линейку. На один коней линейки положите книгу. Нажмите на линейку с другой стороны, и книга поднимется. Попробуйте переместить карандаш под линейкой, и вы увидите, что чем длиннее рычаг, тем легче под­нимать груз.

Использование простых механизмов

Простые механизмы используются самыми разнообразными способами в составе более сложных ма­шин. В нашем теле, как и в телах животных, есть заложенные природой простые механизмы. Архимедов винт – древнейший механизм для перекачки воды из рек. Вода идёт вверх по наклонностям при вращении винта. Пропеллер – простейшая форма винта. Он заставляет корабль двигаться в воде (см. статью «Плавучесть«), а самолёт – в воздухе (см. статью «Полёт«). Веер – это рычаг третьего типа. Когда вы обмахиваетесь веером, ваше запястье работает как точка опоры.

Наклонная плоскость

Примерами наклонных плоскостей могут служить скат или склон холма. По наклонной плоскости поднимать грузы лег­че, чем вертикально, так как груз проходит большее расстояние, следовательно, для производства той же самой работы требуется меньшая сила. Наклонная плоскость в 8 раз длиннее вертикальной линии, значит, на подъем груза необходима сила в 8 раз меньше. Строители египетских пирамид (подробнее об этом в статье «Строительство пирамид»), возможно, использовали спиралевидные наклонные плоскости для подъёма колоссальных каменных блоков на вершину пирамид. Высота самых больших пирамид около 146 метров.

Источник