Характеристика, виды и способы применения простых механизмов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Может ли человек удержать на весу 100 тонн, можно ли рукой расплющить железо, может ли ребенок оказать противодействие силачу? Да, могут.

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.

Сдвигая колечки ножниц или ручки кусачек, взрослый человек действует обычно с силой в 40-50 H. Так как одно плечо может превысить другое раз в320, то оказывается, что мы способны «вгрызаться в металл» с силой в 1000 H. И это при помощи столь несложного инструмента!

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 рычаг и почему он так увеличивает силу человека? Какие ещё простые механизмы существуют? Как используют их люди? Где и как использует человек простые механизмы? Исследованию этих вопросов мы посвятили свой проект.

С древних времён человек применяет различные орудия труда. В наши дни существует много современных машин, станков, различных приспособлений для облегчения труда людей. Но даже ученики седьмого класса знают, что любое сложное устройство всегда состоит из множества простых. Если мы будем знать, как работают простые механизмы, то, возможно, кто-то из нас сможет создать какое-то новое устройство, которое облегчит труд человека, и сделает его работу приятной, сбережёт его здоровье, а продукт его труда будет более качественным.

Цель: Знакомство с характеристикой и видами простых механизмов, изучение «золотого» правила механики.

Объект: простые механизмы.

Задачи:

· научиться приёмам работы с научной литературой;

· изучить материалы о простых механизмах;

· ознакомиться с видами простых механизмов и их применением;

· обобщить изученный материал.

1. Характеристика простых механизмов

Каждый человек сталкивается в своей жизни с различными механизмами. Многие считают, что механизм - это что-то большое и грохочущее, однако некоторые механизмы совсем невелики и довольно просты. Независимо от размера, все они облегчают работу человека.

Нередко можно наблюдать, как тяжёлый груз поднимают или перемещает с места на место с помощью деревянного или металлического стержня. Если подсунуть под тяжёлый предмет конец лома, положенного на брусок, то легким нажатием на его свободный конец можно сдвинуть груз с места.

Ещё с древних времен для облегчения труда человек использовал приспособления и механизмы. Все они устроены по- разному, но в них обязательно имеются так называемые простые механизмы.

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.

Простые механизмы -- это устройства, в которых работа совершается только за счет механической энергии. Простые механизмы служат для преобразования силы, их применяют при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу.

Механические устройства, служащие для преобразования величины или направления силы, называют простыми механизмами.

Виды простых механизмов.

Принято выделять шесть простейших механизмов, из которых четыре являются разновидностью двух основных: рычаг (блок и ворот) и наклонная плоскость (клин, винт).

В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.

Рычаг - твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. 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.

F1, F2 - силы, действующие на рычаг. L1 L2 - плечи сил, действующих на рычаг. Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Это правило можно записать в виде формулы:

F1 / F2 = L1 / L2,

Правило равновесия рычага было установлено Архимедом. Из этого правила видно, что меньшей силой можно уравновесить при помощи рычага большую силу. Во сколько раз одно плечо больше второго, во столько раз силы, приложенные к одному плечу больше силы, приложенной ко второму плечу.

Виды рычагов. Существует два вида рычагов.

У рычагов первого рода неподвижная точка опоры располагается между линиями действия приложенных сил. Для того чтобы приподнять тяжелый предмет надо приложить силу, направленную вниз.

У рычагов второго рода неподвижная точка опоры располагается по одну сторону линий действия приложенных сил. Для того чтобы приподнять

Тяжелый предмет надо приложить силу, направленную вверх.

Блок - это колесо с желобом по окружности для каната или цепи, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке.

Грузоподъемные устройства обычно используют не один, а несколько блоков. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспаст.

Блок - простое механическое устройство, позволяющее изменять силу.

Блок имеет два вида: неподвижный и подвижный.

Неподвижным блоком называют такой блок, ось которого закреплена и при подъеме грузов не поднимается и не опускается. Такой блок не дает выигрыша в силе, но позволяет менять направление действия силы.

Подвижным блоком называют такой блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом. Подвижный блок дает выигрыш в силе.

Другой разновидностью рычага является ворот.

Ворот от слова -- воротить, крутить, вращать. Простейший механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате (тросе, верёвке). Синоним простейшей лебёдки. В более широком смысле воротом называют рычаг (для создания крутящего момента), совершающий при работе полный оборот (вороток в слесарном инструменте, вороты привода мельничных жерновов от лошадей).

Ворот представляет собой цилиндр (барабан), к которому прикреплена рукоятка. При помощи рычага можно маленькой силой уравновесить большую силу.

Рассмотрим, например, подъем ведра из колодца. Рычагом является колодезный ворот - бревно с прикрепленной к нему изогнутой ручкой. Ось вращения ворота проходит сквозь бревно. Меньшей силой служит сила руки человека, а большей силой - сила, с которой ведро и свисающая часть цепи тянет вниз. Выигрыш в силе, который дает ворот, определяется отношением радиуса окружности, по которой движется рукоятка r1, к радиусу цилиндра, на который наматывается веревка r2.

Если к рукоятке приложена сила F1, то сила напряжения веревки равна:. Современным типом ворота является лебедка. Лебедка представляет собой сочетание цилиндра и двух зубчатых колес разного радиуса. Общий выигрыш в силе, который дает лебедка, определяется из совокупного действия 2-х воротов. Современные лебедки дают выигрыш в силе в 40-100 раз.

Наклонная плоскость - представляет собой плоскость, расположенную под углом к горизонту. Наклонная плоскость позволяет преодолевать значительное сопротивление, прилагая сравнительно малую силу на большем расстоянии, чем то, на которое нужно поднять груз. Наклонная плоскость дает выигрыш в силе. Выигрыш в силе определяется отношением длины наклонной плоскости к ее высоте, при условии, что трение очень мало.

Примерами наклонных плоскостей служат пандусы и трапы. Принцип наклонной плоскости можно видеть также в таких колющих и режущих инструментах, как стамеска, топор, плуг, клин, винт.

Винт (шнек) -- простейший механизм. Резьба винта, в сущности, представляет собой другой простейший механизм --наклонную плоскость, многократно обёрнутую вокруг цилиндра.

Примеры простых устройств с винтовой резьбой -- домкрат, болт с гайкой, тиски.

Идеальный выигрыш в силе равен отношению расстояния, проходимого точкой приложения усилия за один оборот винта (длины окружности), к расстоянию между двумя соседними витками резьбы (шаг резьбы).

Первый винт был запатентован в 1784 году.

Клин - простой механизм в виде призмы, рабочие поверхности которого сходятся под острым углом. Это, в сущности, сдвоенная наклонная плоскость Главное его отличие от наклонной плоскости в том, что она обычно неподвижна, и груз под действием усилия движется по ней, а клин вгоняют под нагрузку или в нагрузку. Клин позволяет увеличить давление за счет концентрации массы на малой площади. Идеальный выигрыш в силе, даваемый клином, равен отношению его длины к толщине на тупом конце. Реальный выигрыш клина определить трудно. Из-за большого трения его КПД столь мал, что идеальный выигрыш не имеет особого значения

2. Применение простых механизмов в жизни человека.

Рычаг в жизни можно встретить в таких предметах как лопата, ножницы, плоскогубцы, весло гребца.

Наклонную плоскость можно встретить в таких устройствах как эскалатор, обычная лестница, конвейеры.

Принцип клина используется в таких инструментах и орудиях как топор, нож, игла, гвоздь, зубило.

Винтовую резьбу можно обнаружить в домкрате, микрометре, тисках.

С древности простые механизмы часто использовались комплексно, в самых различных сочетаниях.

Комбинированный механизм состоит из двух или большего числа простых. Это не обязательно сложное устройство; многие довольно простые механизмы тоже можно считать комбинированными.

Например, в мясорубке имеются ворот (ручка), винт (проталкивающий мясо) и клин (нож-резак).

Стрелки наручных часов поворачиваются системой зубчатых колес разного диаметра, находящихся в зацеплении друг с другом.

Один из наиболее известных несложных комбинированных механизмов - домкрат. Домкрат представляет собой комбинацию винта и ворота. Выигрыш в силе, создаваемый комбинированным механизмом, равен произведению выигрышей отдельных механизмов, входящих в его состав.

Простые механизмы - это труженики со стажем работы более чем 30 веков, но они ничуть не состарились.

На любой строительной площадке работают башенные подъемные краны - это сочетание рычагов, блоков, воротов. В зависимости от "специальности" краны имеют различные конструкции и характеристики. Существуют портальные поворотные краны грузоподъемностью - 300 кН, строительные башенные краны грузоподъемность 20 - 400 кН., плавучие.

Плавучие краны - самые сильные из семейства подъемных кранов: их грузоподъемность 4000 кН. Они поднимают затонувшие корабли, снимают суда с мели, с их помощью ремонтируют суда в открытом море, опускают на дно батисферы и камеры для ремонта кабелей и трубопроводов.

Простые механизмы используются и в устройстве шагающих экскаваторов. В его большом ковше может поместиться экскаватор для городских строек.

3. Простые механизмы в природе

механический рычаг наклонный неподвижный

Законы физики используются не только в работе приборов и машин, но и распространяются на явления живой природы. Однако в живой природе многие из этих законов не проявляются в открытом виде, поэтому подметить может только опытный глаз наблюдателя. В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами:

- у человека - кости рук и ног, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев,

- 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.

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами, например, у человека - кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев.

Рычаг равновесия. Ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа и первого позвонка. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, позади -11 сила тяги мышц F и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Рычаг силы : действие свода стопы при подъеме на полупальцы.

Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей.

Действующая мышечная сила F, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

Размещено на Allbest.ru