1. Введение

Как часто, когда нам надо сдвинуть с места очень тяжелый предмет, мы берем себе в помощники палку или шест. Это пример простого механизма — рычага.

Автомашину массой в несколько тонн шофер легко приподнимает при помощи домкрата. Домкрат — это простой механизм, который дает выигрыш в силе примерно в 40–50 раз. Ножницы, плоскогубцы, клещи, кусачки и многие другие инструменты — все это рычаги.

Утверждают, что великий ученый Архимед как-то писал сиракузскому царю Гиерону: «Если бы была другая Земля, я перешел бы на нее и сдвинул бы нашу Землю». Что такое простые механизмы, где и с какой целью применяют простые механизмы в быту?

Изучению этих вопросов мы посвятили свой проект.

Цель: выявить значимость применения простых механизмов для человека.

Задачи:

1. Изучить литературные и электронные источники информации.
2. Систематизировать и обобщить найденный материал.
3. Сформулировать выводы.

Проблемные вопросы:

— Какие виды простых механизмов существуют?

— Для чего нужны простые механизмы?

— Дают ли простые механизмы выигрыш в силе?

2. Простой механизм

Простой механизм — механическое устройство, изменяющее направление или величину силы. В общем, их можно определить как простейшие инструменты, которые используют механический выигрыш (также называемый рычагом) для увеличения силы. Обычно этот термин относится к шести классическим простейшим механизмам, которые были найдены учеными эпохи Возрождения: рычаг, колесо и ось, блок, наклонная плоскость, клин, винт.

Простейший механизм использует одну приложенную силу для работы против одной силы нагрузки. Без учета потерь на трение работа, выполняемая над грузом, равна работе, выполняемой приложенной силой. Механизм может увеличивать выходную силу за счет пропорционального уменьшения расстояния, на которое перемещается груз. Отношение выходной силы к приложенной силе называется механическим выигрышем .

Простейшие механизмы могут применяться для получения выигрыша в скорости перемещения. В этих случаях перемещаемая часть связана с длинным концом рычага (например, поршень паровой машины паровоза через шатун передаёт большое усилие на короткое плечо кривошипа, а обод колеса в результате приобретает большую скорость), свободным концом талей и т. д. и для привода механизма в действие требуется применять силу, в соответствующее число раз большую, чем сила противодействия.

Простейшие механизмы можно рассматривать как элементарные «строительные блоки», из которых состоят все более сложные машины (иногда называемые «составными механизмами»). Например, колеса, рычаги и блоки используются в механизме велосипеда. Механические выигрыш составного механизма — это просто произведение механических выигрышей простейших механизмов, из которых он состоит.

Хотя они по-прежнему имеют большое значение в механике и прикладной науке, современная механика вышла за рамки представления о простейших механизмов как о минимальных строительных блоках, из которых состоят все машины, которые возникли в эпоху Возрождения как неоклассическое расширение древнегреческих текстов. Эти шесть категорий неадекватно описывают огромное разнообразие и изощренность современных механических соединений, возникших во время промышленной революции. Различные авторы пост-ренессанса составили расширенные списки «простейших механизмов», часто используя такие термины, как базовые машины , составные машины или элементы машин, чтобы отличить их от классических простейших механизмов, описанных выше. К концу 1800-х годов Франц Рёло идентифицировал сотни элементов машин, назвав их простыми машинами . Современная теория машин анализирует машины как кинематические цепи, состоящие из элементарных связей, называемых кинематическими парами.

3. История

Идея простейшего механизма возникла у греческого философа Архимеда примерно в третьем веке до нашей эры, который изучал архимедовы простейшие механизмы: рычаг, блок и винт. Он обнаружил для рычага принцип механического выигрыша. Знаменитое замечание Архимеда по поводу рычага: «Дайте мне место, на котором я буду стоять, и я подвину Землю» (греч. δῶς μοι πᾶ στῶ καὶ τὰν γᾶν κινάσω) выражает понимание того, что не существует предела передаточного коэффициента, которое можно достигнуть с помощью механического выигрыша. Позднее греческие философы определили классические пять простейших механизмов (за исключением наклонной плоскости) и смогли вычислить их (идеальный) механический выигрыш. Например, Герон Александрийский (ок. 10–75 нашей эры) в своей работе « Механика» перечисляет пять механизмов, которые могут «привести в движение груз»; рычаг, брашпиль, блок, клин и винт и описывает их изготовление и использование. Однако понимание греков ограничивалось статикой простейших механизмов (балансом сил) и не включало динамику, компромисс между силой и расстоянием или концепцию работы.

В эпоху Возрождения динамика механических сил, как назывались простейших механизмов, начала рассматриваться с точки зрения того, насколько далеко они могут поднять груз, в дополнение к силе, которую они могут приложить, что в конечном итоге привело к новой концепции механической работы. В 1586 году фламандский инженер Саймон Стевин получил механическое преимущество наклонной плоскости, и она была включена в другие простейшие механизмы. Полная динамическая теория простейших механизмов была разработана итальянским ученым Галилео Галилеем в 1600 году в трактате Le Meccaniche (« О механике» ), в котором он показал, что увеличение силы лежит в основе математического сходства этих механизмов. Он был первым, кто объяснил, что простейшие механизмы не создают энергию, а только преобразуют её.

Классические правила для трения скольжения в машинах были открыты Леонардо да Винчи (1452–1519), но они не были опубликованы и просто задокументированы в его записных книжках и основывались на доньютоновской науке, такой как вера в трение как эфирную жидкость. Они были вновь открыты Гийомом Амонтоном (1699 г.) и получили дальнейшее развитие Шарлем-Огюстеном де Кулоном (1785 г.).

4. Виды простейших механизмов

Принято выделять восемь простейших механизмов, из которых четыре являются разновидностью двух основных:

Наклонная плоскость — простой механизм в виде плоскости, установленной под острым углом к горизонтальной поверхности.

Клин — позволяет увеличить давление за счёт концентрации силы на малой площади. Используется в копье, лопате, пуле и др.

Винт — используется в шурупах и для подъёма воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях и др.

Рычаг — описан Архимедом. Используется, в частности, для подъёма тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (шатун-кривошип — используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).

Ворот — используется для подъёма воды в колодцах и для ременной передачи и др.

Блок — колесо с жёлобом, по которому пропускают верёвку, трос или цепь. Применяется для изменения величины или направления силы.

Колесо — используется на транспорте и в зубчатых передачах. Наиболее ранние находки колёс встречаются на территории современной Румынии (неолитическая культура Кукутени — Триполье) и датируются последней четвертью V тысячелетия до н. э.

Поршень — позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется, в частности, в огнестрельном оружии, двигателе внутреннего сгорания и паровой машине.

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 : A = F ⋅ S ⋅ cos α, 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.

5. Рычаги в технике и быту

Рычаги также распространены и в быту. Вам было бы гораздо сложнее открыть туго завинченный водопроводный кран, если бы у него не было ручки в 3–5 см, которая представляет собой маленький, но очень эффективный рычаг. То же самое относится к гаечному ключу, которым вы откручиваете или закручиваете болт или гайку. Чем длиннее ключ, тем легче вам будет открутить эту гайку, или наоборот, тем туже вы сможете её затянуть. При работе с особо крупными и тяжелыми болтами и гайками, например при ремонте различных механизмов, автомобилей, станков, используют гаечные ключи с рукояткой до метра.

Другой яркий пример рычага в повседневной жизни — самая обычная дверь. Попробуйте открыть дверь, толкая её возле крепления петель. Дверь будет поддаваться очень тяжело. Но чем дальше от дверных петель будет располагаться точка приложения усилия, тем легче вам будет открыть дверь.

Примером могут служить ножницы, кусачки, ножницы для резки металла. Рычаги различного вида имеются у многих машин: ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, клавиши пианино — все это примеры рычагов. Весы — тоже пример рычага.

Рычаги различного рода имеются у многих машин. Ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, педали автомобиля и трактора, клавиши пианино — все это примеры рычагов, используемых в данных машинах и инструментах. Плоскогубцы, клещи, гвоздодер, ножницы, коромысло с ведрами, щипцы, «журавль» для поднятия воды из колодца, рычажные весы, качели деревянные, ключ для отворачивания гаек при разборке и сборке деталей машин — это только малая часть инструментов и приспособлений, в основе действия которых лежит правило рычага.

6. Практическая часть

Определение выигрыша в силе.

Приборы и материалы: ножницы для бумаги, кусачки, ножницы по металлу, тачка, линейка.

Ход работы.

1. Определяю плечи сил ножниц для бумаги

= 9 см.

2.Определяю плечи сил для кусачек.

= =

3. Определяю плечи сил ножниц по металлу.

= =

4. Определяю плечи сил тачки.

l=133 см. l2 = 75см. = =

7. Вывод

Выяснили, что больший выигрыш в силе дают кусачки, предназначенные для перекусывания проволоки. Чем больше длина плеча, тем меньше прикладываем силы. Ножницы — рычаг 1-го рода, ось вращения которого проходит через винт, соединяющий обе их половины. Действующей силой F1 является мускульная сила руки человека, сжимающего их; противодействующей силой F2 — сопротивление того материала, который режут ножницами.

Для тачки действующей силой F1 является мускульная сила руки человека, его противодействующей силой F2 — вес груза.

В зависимости от назначения ножниц их устройство различно. Ножницы для резки бумаги не требуют большой силы, а длинным лезвием удобнее резать по прямой линии. Поэтому они имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки. У ножниц для резки листового металла ручки гораздо длиннее лезвий, так как сила сопротивления металла велика и для ее уравновешивания плечо действующей силы приходится значительно увеличивать. Еще больше разница между длиной ручек и расстоянием режущей части от оси вращения в кусачках, предназначенных для перекусывания проволоки.

8. Заключение

Можно сказать, что проект удался. Мы многое узнали о, казалось бы, самых простых механизмах не только в плане исторического факта, но и в плане применимости их в быту, изучили много разной литературы по теме. В связи с чем, думаю, моя работа будет интересна любому, который хоть немного увлечен механической физикой.

Весь наш быт наполнен вспомогательными механизмами. Можно приводить бесконечно примеры простых механизмов окружающих современного человека, которые облегчают нашу жизнь с давних времен.

Литература:

1. И. М. Перышкин, А. И. Иванов. Физика. Учебник для общеобразовательных учреждений. 7–й класс.— М: Просвещение, 2023
2. Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX века). — М.:
3. ГальперштейнЛ. М., Забавная физика, 1993 год
4. Горев Л. А. Занимательные опыты по физике, 1995 год
5. А. Е. Гуревич, Д. А. Исаев, Л. С. Понтак. Введение в естественно-научные предметы. Естествознание. Физика. Химия.
6. https://foxford.ru/home-school,https://uchi.ru/otvety/questions/primenenie-prostyh-mehanizmov-v-tehnike-i-bytu
7. https://obrazavr.ru/fizika/7-klass/rabota-i-moshhnost-energiya/prostye-mehanizmy/rychagi-v-tehnike-bytu-i-prirode/