Исследование простых механизмов. Изучение золотого правила механики.. Автор: Краснова Анастасия. Работа №375509

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №9 города Коврова

(МБОУ СОШ № 9)

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Тема проекта: «Исследование простых механизмов. Изучение золотого правила механики»

Работу выполнила:

Краснова Анастасия Сергеевна,

ученица 11 «а» класса

Руководитель:

Кожевина Людмила Николаевна

учитель физике

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Теоретическая часть

Глава I. Простые механизмы

Понятие простые механизмы

Рыча

г

Блок

Наклонная плоскость

Клин

Винт

Глава II. «Золотое правило» механики

Принцип работы золотого правила механики

Практическая часть

Глава I. Задачи на простые механизмы

Блок. Задачи

Рычаг. Задачи

Вывод

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Роль простых механизмов в жизни человека на протяжении развития человечества – велика. Такие приборы помогали на протяжении многих столетий еще до нашей эры. Благодаря ним физический труд упрощался во множество раз. Еще на ранних сроках ученые – физики опирались именно на простые агрегаты смогли «открыть золотое правило механики»

Данная работа имеет актуальность в любое время, так как в наши дни люди до сих пор широко используют простые механизмы повсеместно. Знакомство с данной темой поможет нам понять устройство некоторых приборов, а также упростить повседневную жизнь, ведь современные люди начали забывать, как добиваться простых целей с меньшей затратой физической силы.

Цель проекта: Изучить простых механизмах, а также их применение, познакомиться с золотым правилом механики.

Задачи проекта:

1. Узнать, что такое простые механизмы и принцип их работы, опираясь на литературу;

2. Убедиться в практичности простых механизмов с помощью задач;

3. Научиться видеть простые механизмы в повседневной жизни;

4. Рассмотреть «золотое правило механики»;

5. Проанализировать результаты и сделать выводы

Объект изучения: «Золотое правило механики», простые механизмы

Предмет изучения: применение простых механизмов в жизни

Гипотеза: золотое правило механики на прямую связанно с простыми механизмами.

Методы:

1. Работа с литературными источниками

2. Наблюдение

Сроки: проект был выполнен в период с 02.03.2022 до 18.12.2022

Теоретическая часть

Глава I. Простые механизмы

1.1. Понятие простые механизмы

С давних пор люди, для облегчения своей жизни применяют различные агрегаты, при помощи которых поднимали и передвигали большие тяжести. Таким устройствам дали название – простые механизмы. По началу человек использовал примитивные приспособления для повседневной жизни, чтобы затрачивать меньше усилий на простые бытовые действия, но постепенно они преобразовывались и усложнялись.

Простые механизмы (от греческого «механэ»- машина орудие) – это приборы позволяющие получить выигрыш в силе или изменить ее направление. Такие приспособления служат для того чтобы вызывать такие движения, при которых необходимость преодолевать большие силы. Для этого силы, развиваемые приспособлениями, должны хотя бы в начале, превосходить силы, противодействующие движению. Но если движение, вызываемые приспособлениями, происходит медленно и силы трения достаточно малы, то можно считать, что их роль сводиться к тому что бы уровнять большие силы, противодействующие движению. Другими словами, силы, развиваемые устройствами - должны быть равны по модулю и противоположны по направлению силам, противодействующим движению. Это и помогает выигрывать в механической работе.

К простым механизмам относятся: рычаг и его разновидности – блок, ворот; наклонная плоскость и ее разновидности – клин, винт.

1.2 Рычаг

Одной из наиболее распространенных простых машин является рычаг, его часто принимают во всевозможных машинах и механизмах.

Рычаг представляет собой твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Принцип его работы заключается в том, что прикладывая небольшую силу к длинному концу рычага, можно уравновесить гораздо большую силу, приложенную к короткому концу рычага. Именно это помогает поднимать большой вес.

На рисунке 1 изображено, как человек для поднятия груза использует в качестве рычага – палку. Ему нужно преодолеть вес P – силу, направленную вертикально вниз. Для этого он ищет единственную неподвижную точку – точку опоры О, поворачивая палку вокруг оси. Сила F, с которой он действует на рычаг, меньше силы P. Таким образом человек получает выигрыш в силе и поднимает груз, который без рычага не может поднять.

Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы. Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы. Длина этого перпендикуляра и будет плечом данной силы. На рисунке 1 АО – плечо силы F1=Р, а ОВ - плечо силы F2.

Правило равновесие рычага: рычаг находиться в равновесии тогда, когда силы девствующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Это правило можно записать в виде формулы:

где F1 и F2 – силы действующие на рычаг,

l1 и l2 – плечи этих сил.

Принцип работы рычага открыл Архимед (годы жизни 287- 212 годы до н.э.).

Он установил правило равновесие рычага, воскликнув известную фразу, которая позже стала крылатым выражением «Дайте мне точку опоры и я переверну землю!». Но рычаг использовался за долго до него. Еще три тысячи лет назад, при строительстве пирамид в Древнем Египте люди передвигали тяжелые каменные плиты с помощью рычага. Но даже спустя столько лет рычаг не утратил своей важности. Правило рычага лежит в основе действий различных инструментов и устройств, а также быту. Ножницы один из примеров рычага, с которым мы сталкиваемся каждый день. Так же когда качаются на качелях, везем груз на тачке, подметаем пол веником, рыбачим удочкой- все это рычаги. Казалось бы простое правило, но без него не возможно представить современную цивилизацию.

1.2.1 Блок

Одной из разновидностей рычага является блок, приспособление состоящие из колеса с желобом и перекинутого по окружности через него веревку. Он дает возможность изменить направление прикладываемой силы и уменьшить усилия для поднятия груза. Простой блок – это равноплечий рычаг, так как плечи сил одинаковы, он не дает выигрыша в силе. Его роль заключается в изменении направление действия силы, для удобства выполнения каких-либо действий. Например, подъем тяжелого груза удобнее тянув за веревку, опускающуюся с верху, помогая своим собственным весом, чем идущую с низу. Для выигрыша в силе используют комбинацию блоков, чем больше блоков тем меньше сил тратится для поднятия груза. Двойной блок состоит из двух блоков разных радиусов, скрепленных между собой и насаженных на одну ось. Плечи сил в этом случае различны, тое есть он действует как неравноплечий рычаг. Двойной блок можно рассматривать как преобразователь силы, прикладывая малую силу к веревке, навитого на блок большего радиуса, мы получаем большую силу со стороны с меньшим радиусом.

Рассмотрим схему двойного блока (рисунок 2). Плечи сил являются радиусы (R1, R2), с соответствующими им силами (F1, F2). Условие равновесия двойного блока такие же, как и неравноплечего рычага:

где, F1 и F2 – силы действующие на рычаг,

R1 и R2 – плечи этих сил.

В повседневной жизни часто применяется ворот – видоизменный двойной блок, его используют для поднятия воды из колодца. Кабестан – вертикальный ворот, применяют для поднятия якорей на лодках вручную. Чаще на практике применяются полиспасты – комбинация из неподвижных блоков с подвижными, широко используемых в технике, например, в кривошипном механизме паровоза.

Придумал блок Архимед, в последствии с помощью него спустил на воду корабль, доказав его практичность на деле.

1.3. Наклонная плоскость

Наклонная плоскость – это плоская поверхность, установленная под углом к горизонтали, которая помогает затрачивать минимум усилий на подъем груза на более высокий уровень. Ее относят к числу простых механизмов.

Принцип работы наклонной плоскости разобрал Голландский инженер и механик Симон Стивен в 1548 году, но люди пользовались этим приспособлением долго до него. Преимущества этого механизма были открыты еще в древние времена, когда понадобилось поднять большой вес на некую высоту.

1.3.1. Клин

Клин – разновидность наклонной плоскости, заостренный кусок дерева или железа с одной стороны в виде призмы. Рассмотрим действие клина при колке дров. На тыльную сторону клина действует сила F, вгоняющий его в трещину, на боковые поверхности клина действуют силы реакции R со стороны раскалываемого полена. Сила F должна уравновешивать сумму сил R, тое есть сумма проекций всех сил должна ровняться нулю, только тогда наступает равновесие клина. Проекция R на направление АВ равна Rsina. На рисунке 3 показан симметричный клин относительно АВ. В таком случае условие равновесия клина F=2Rsina. При малом угле сила F может быть во много раз меньше 2R. Значит, чем меньше угол, тем меньше усилий придется прикладывать для выполнения поставленной задачи.

Но клин, как и всякий другой простой механизм должен выполнить свою роль, а для этого необходимо заставить двигаться в нужном направлении, а не просто уравновесить. Так же на работу клина очень влияет коэффициент трения между боковыми гранями и телом, что для бока и рычага значительно незначительна.

Клин известен людям более 9 тысяч лет. Нож, топор, рубанок и другие режущие и колющие инструменты, все эти орудия примеры клина. Так же его используют для подъема тяжелых предметов или отделения их от поверхности, на которой они лежат.

1.3.2. Винт

Еще одной разновидностью наклонной плоскости является винт. Винт работает по такому принципу: винт и гайка имеют резьбу, при вращении гайка перемещается вдоль резьбы, тем самым плотно насаживаясь на него. Пусть цилиндр - это винт, а гайка – прямоугольный треугольник (рисунок 4). Катет ВС равен длине окружности цилиндра, но длина окружности находиться по формуле С=2Пr, то ВС=2Пr, где r - радиус основания цилиндра. АВ равен h, то есть расстояние на которое переместить гайка при полном обороте, один виток резьбы равен АС.

При навинчивании гайки на винт, силами трения можно пренебречь, со стороны винта на гайку действует сила F1, а со стороны гайки на винт F2 равная ей по модулю. Вращая винт надо преодолевать силу составляющие силы F2, то есть противонаправленную винту, то есть силу f2. При этом в напрaвлении оси винта на гайку действуют составляющие F1, то есть сила f1, при заданном значении f1 значение f2, тем меньше, чем меньше угол а.

Примером винта является домкрат, различные приспособления для сдавливания - пресс, для крепления – болты, шурупы. Во всех этих случаях можно при небольшой силе можно создать большую силу давления.

Глава II. «Золотое правило» механики

Принцип работы золотого правила механики

Рассмотренные нами простые механизмы используют при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу. Естественно, появляется вопрос: давая выигрыш в силе или в пути, не дают ли простые механизмы выигрыш и в работе? Что бы ответить на него обратимся к «золотому правилу» механики.

Его можно записать формулой и звучит оно так: «Перемещения, пройденные точками приложения сил на рычаге, обратно пропорциональны приложенным силам», значит работы тоже равны A1=А2.

Итак, при использовании простых механизмов выигрыша в работе не получают. Пользуясь ими, мы можем получить выигрыш или в силе, или в расстоянии. Если мы силу приложим к длинному плечу, то выиграем в силе, но во столько же раз проиграем в расстоянии. Действуя же силой на короткое плечо рычага, мы выигрываем в расстоянии, но во столько же раз проигрываем в силе. Так работает и наклонная плоскость. В дальнейшем типы движений и устройство машин, с которыми приходилось иметь дело в механике, все более и более усложнялись, и оказалось, что в таком простом виде «золотое правило» механики не всегда справедливо. Но попутно с усложнением видов движений и типов машин постепенно дополнялось и усложнялось «золотое правило» механики так, чтобы оно охватывало и более сложные случаи. При этом из «золотого правила» возникли важнейшие физические представления о работе и энергии. Вместе с тем это правило явилось первой простейшей формулировкой одного из основных законов природы - закона сохранения энергии, который оказался справедливым для всех без исключения явлений в природе.

В трактате «Механика» (Μηχανική), состоящем из трёх книг, Герон описал «золотое правило» механики и принципы работы простых механизмов.

Практическая часть

Глава I. Задачи на простые механизмы

1.1.Рычаг. Задачи

Мы познакомились с основным понятием рычага и где его применяют. Сейчас мы убедимся в его эффективности на практике, с помощью задачи.

Пример.

Задача №1.

На концах рычага действуют силы 10 Н и 60 Н. Расстояние от тоски опоры до большей силы равно 1 см. Определите длину рычага, если рычаг находиться в равновесии, ответ дайте в сантиметрах

1) Формула правила равновесия рычага, выражаем l1

2) Находим общую длину рычага, складывая плечи сил

Даже при таком маленьком рычаге, мы получили выигрыш в силе.

Задача №2.

С помощью рычага человек поднимает груз массой 60 кг. Какую силу он прикладывает к большему плечу рычага, равному 1,2, если меньшее плечо 0,4.

1) Сила F2 равно весу тела, но вес тела равен силе тяжести, F2 равно силе тяжести (mg)

2) Формула равновесия рычага, выражения силы F1

Рычаг помог нам поднять груз с весом 600Н, приложив силу всего 200Н

1.2. Блок. Задачи.

Двойной блок по своему принципу работы схож с неравноплечим рычагом. Рассмотрим задачу, чтобы подтвердить эффективность блока.

Задача №1

Какую силу нужно приложить, чтобы с помощью двойного блока поднять груз нерастяжимой нитью массой 50 кг, если диамерт первого блока равен 120 см, а диамер второго 60 см, силой натяжения нити пренебречь.

1) Формула диаметра, выразим радиус.

2) Сила F2 равно весу тела, но вес тела равен силе тяжести, F2 равно силе тяжести (mg)

3) Формула равновесия блока, выражаем F1

Таким образом, чтобы поднять груз массой 50 кг, надо приложить силу 250Н и более, что значит, что блок дал нам выигрыш в силе в 2 раза.

3.1 Вывод

Таким образом с помощью задач, мы убедились в помощи простых механизмов. Практика показала, что ни один механизм не дает выигрыша в работе. Применяют же различные механизмы для того. чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в пути

Заключение

1. Мы познакомились с простыми механизмами и принцип их работы. Это поможет нам использовать их в повседневной жизни.

2. С помощью задач мы убедились в практичности простых механизмах, научились видеть их плюсы и минусы: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько проигрываем в расстоянии.

3. Рассмотрели золотое правило механики и пришли к выводу, что все простые механизмы опираются на него, что подтверждает выдвинутую гипотезу.

В заключении можно отметить, что, работая над данной исследовательской работой, мы узнали много полезной и нужной информации, а также вспомнили пройденный материал. Полученные знания помогут нам лучше понять устройства некоторых приборов и упростить повседневную жизнь.

Приложения

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Список используемых источников

https://obrazovaka.ru/fizika/zolotoe-pravilo-mehaniki-formula.htm

Учебник для 7 кл. сред. шк. (А.В. Перышкин, Н.А. Родина)

Элементарный учебник физики (Г. С. Ландсберг)

https://www.youtube.com/watch?v=hrX9kNDOFD4

https://www.youtube.com/watch?v=uYuzedJBG20