Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Простые механизмы

Статика

29.03.2024
1946
0

Простые механизмы

План урока

  • Простые механизмы
  • Неподвижный блок
  • Подвижный блок

Цели урока

  • узнать, что такое простые механизмы
  • узнать свойства неподвижного и подвижного блока
  • узнать, что такое коэффициент полезного действия
  • познакомиться с «золотым правилом механики»

Разминка

  • Почему не вся потраченная энергия может пойти на совершение работы?

Простые механизмы

В прошлой главе мы познакомились с рычагами первого и второго рода. Рычаг — это первый простой механизм, который изобрёл человек и который дал выигрыш в силе. Но были придуманы и другие простые механизмы, более удобные, которые дали не только выигрыш в силе, но и позволили изменить направление приложения силы.


Механические устройства, с помощью которых можно изменять направление и модуль силы, называют простыми механизмами .


Рассмотрим здесь подробно два вида простых механизмов — неподвижные и подвижные блоки. Блок представляет собой колесо с желобом, по которому пропускают верёвку, трос или цепь. Если ось вращения блока неподвижна (жёстко закреплена), то блок называют неподвижным. Если ось может перемещаться, то это — подвижный блок (рис. 1).

Рис. 1. Силы в системе с неподвижным и подвижным блоками

Неподвижный блок

Пусть через неподвижный блок перекинута нить, к правому концу которой подвешен груз массой m (рис. 1). Тогда справа на нить действует сила веса груза F2 = m · g. Поскольку нить не изменяет приложенной к ней силы, а изменяет только её направление, то для удержания груза нужно приложить к левому концу нити силу F1 = F2. Таким образом, неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, но позволяет изменить направление действия силы.

 

Чтобы поднять неподвижным блоком груз на высоту l, нужно вытянуть нить на ту же длину l. Следовательно, неподвижный блок не даёт выигрыша или проигрыша в расстоянии.

 

Для подъёма груза на высоту l нужно совершить работу против силы тяжести:

 

A = F2 · l = m · g · l.
 

Эта работа в точности равна работе силы, приложенной к левому концу нити, так как силы (F1 = F2) и перемещения (l = l) совпадают: 

 

A = F1 · l = F2 · l.
 

Равенство работ является следствием закона сохранения энергии.
 

Итак, неподвижный блок не даёт выигрыша или проигрыша ни в силе, ни в расстоянии.

Подвижный блок

Пусть теперь груз массой m подвешен к невесомому подвижному блоку (рис. 1). Нить, на которой подвешен подвижный блок, соединена правым концом со стеной, а её левый конец удерживается силой F1, так что вся система находится в равновесии. На подвижный блок действует сила тяжести груза F2 = m · g. Поскольку подвижный блок висит на двух нитях, то вес груза поровну делится между ними, т. е. силы натяжения нитей равны F2/2. Правый конец нити закреплён в стене и удерживается силой реакции N стены равной по модулю F2/2. Сила F2/2 передаётся от левой нити через неподвижный блок без изменения левому концу нити. Значит, для удержания груза нужна сила F1 = F2/2. Следовательно, подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза.

 

Чтобы поднять груз на высоту l, необходимо совершить работу против силы тяжести:

A = m · g · l.

 

Придётся вытянуть слева двойную длину нити 2 · l, но тянуть с силой F1 = F2/2. Значит, подвижный блок даёт проигрыш в расстоянии в 2 раза.

 

Работа силы, приложенной к левому концу нити, равна

 

A = F1 · 2 · l = F22 · 2 · l = m · g · l.

 

Как и в случае с неподвижным блоком, мы получили равенство работ, т. к. закон сохранения энергии справедлив и здесь. Равенство работ получилось благодаря тому, что двукратное уменьшение силы было компенсировано двукратным ростом перемещения.

 

Итак, подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза и проигрыш в расстоянии 2 раза.
 

В общем случае можно составить механизмы, которые дают любой выигрыш в силе, например, в 4 или 10 раз. Но закон сохранения энергии приведёт к тому, что во столько же раз, например, в 4 или 10, мы проиграем в расстоянии. Так мы пришли к формулировке «золотого правила механики».


Золотое правило механики : во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии и наоборот.


В реальных механизмах работа по подъёму груза (или другая полезная работа) всегда будет меньше затраченной работы. Затраченная работа больше, т. к. приходится совершать работу против силы трения в узлах механизмов.


Отношение полезной работы к затраченной работе называют коэффициентом полезного действия (КПД) механизма: КПД = AпAз.


КПД обозначают греческой буквой η (читается «эта») и выражают в долях или процентах. Поскольку в идеальном случае вся затраченная энергия идёт на совершение работы, то КПД идеального механизма будет равен 1 или 100 %. КПД реальных механизмов заметно меньше (табл. 1)

 

Таблица 1. КПД различных двигателей

 

Тип двигателя

КПД, %

Паровая машина

8–10

Двигатель внутреннего сгорания

20–25

Газовая турбина

25–30

Дизельный двигатель

40–45

Ракетный двигатель

47


Итоги

 

  • Механические устройства, с помощью которых можно изменять направление и модуль силы, называют простыми механизмами .
  • Неподвижный блок не даёт выигрыша или проигрыша ни в силе, ни в расстоянии.
  • Подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза и проигрыш в расстоянии 2 раза.
  • Золотое правило механики : во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии и наоборот.
  • Отношение полезной работы к затраченной работе называют коэффициентом полезного действия (КПД) механизма:  КПД = AпAз.


Упражнение 1

 

1. При подъёме груза массой 100 кг на высоту 3 м с помощью механизма была затрачена работа 3 200 Дж. Чему равно КПД этого механизма?


Контрольные вопросы

 

1. Что такое простые механизмы?
2. Какие виды блоков вы знаете?
3. В чём состоит «золотое правило механики»?
4. Продемонстрируйте справедливость золотого правила механики на примере работы подвижного и неподвижного блоков.
5. Что такое КПД механизма?
6. Может ли КПД быть равным 2?
7. Что означает, что КПД равно 80 %?


Ответы

 

Упражнение 1

 

1. КПД = 0,94 или 94 %.


Предыдущий урок
Второй закон Ньютона
Динамика
Следующий урок
Равновесие тела. Момент силы
Статика
Урок подготовил(а)
teacher
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
Поделиться:
  • Способ подстановки

    Алгебра

  • Способ сложения

    Алгебра

  • Правописание частиц НЕ и НИ

    Русский язык

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке