Лабораторная работа № 49 «Изучение действия простых механизмов»

Определения и обозначения

Простой механизм — устройство, которое помогает изменить величину или направление силы. Он нужен, чтобы выполнять действие удобнее: например, поднимать груз, прикладывая усилие в подходящем направлении. В опыте механизм сравнивают с подъёмом без него, чтобы выяснить, что именно меняется.

Рычаг — твёрдое тело, которое может вращаться вокруг опоры. При исследовании отмечают опору, место приложения силы руки и место, где действует груз. Такое устройство помогает понять, как расположение этих частей влияет на необходимое усилие.

Блок — колесо с желобом, по которому проходит верёвка. Он может изменить направление силы: например, тянуть верёвку вниз, чтобы поднять груз вверх. Некоторые блоки устроены так, что помогают уменьшить усилие, поэтому в опыте нужно выяснить, какой результат наблюдается.

Выигрыш в силе — отношение силы, с которой механизм действует на груз, к приложенной силе. Чтобы его определить, измеряют обе силы и сравнивают их: если приложенная сила меньше силы, нужной для подъёма груза напрямую, есть выигрыш. В этой работе достаточно сопоставить показания динамометра при одинаковом грузе.

Как это устроено

Цель работы — исследовать действие простых механизмов и выяснить, как они меняют действие силы. Для этого сравнивают подъём одного груза без устройства и с ним. Такое сравнение позволяет связать наблюдение с самим механизмом, а не с тем, что груз или условия опыта изменились.

Сначала выбирают механизм и надёжно закрепляют его: если опора сдвинется, измерения окажутся ненадёжными и установка может упасть. Затем размещают груз и динамометр так, чтобы прибор показывал силу, приложенную при подъёме. У рычага проверяют положение опоры и точек приложения сил, у блока — закрепление колеса и верёвки, у наклонной плоскости — устойчивость поверхности. Перед началом опыта убеждаются, что детали не соскальзывают.

Сначала измеряют силу, необходимую для подъёма груза напрямую, без механизма. Затем тем же динамометром поднимают тот же груз с помощью выбранного механизма. Условия стараются сохранить одинаковыми: груз не меняют, а показания снимают при равномерном движении, потому что рывок может дать лишнее усилие и исказить результат. Силу записывают в ньютонах (Н).

После измерений сравнивают показания: меньшее усилие с механизмом означает, что для этого способа подъёма требуется прикладывать меньшую силу. Но изменение направления — отдельное наблюдение: если тянуть вниз, а груз движется вверх, направление изменилось, однако это само по себе не доказывает выигрыш в силе. Поэтому в выводе отдельно указывают, что случилось с величиной силы и что — с её направлением. Так не смешиваются два разных действия механизма.

Измерения повторяют, чтобы проверить, не было ли случайной ошибки при первом опыте. Результаты каждого измерения записывают в таблицу и ставят единицы, иначе сравнение будет неполным. Затем формулируют вывод для каждого механизма, опираясь на показания и наблюдения. Если результаты повторов заметно различаются, нужно проверить установку и провести измерение ещё раз.

Результаты изучения действия простых механизмов

Впиши собственные показания динамометра, а не предполагаемые значения: результат зависит от груза и установки. Сравнивай силы только для одного и того же груза. В последнем столбце отдельно отмечай изменение направления и изменение величины усилия.

Разбор задач

Подъём груза с помощью рычага

Условие. Подними один и тот же груз сначала без механизма, затем с помощью рычага и запиши показания динамометра. Числовые значения заранее неизвестны, поэтому их нужно получить в опыте. Задача — сравнить измерения и сделать вывод о действии рычага.

1. Закрепи рычаг на опоре, положи груз на один его конец и проверь устойчивость.
2. Измерь силу при прямом подъёме груза, затем тем же динамометром измерь усилие при действии на рычаг. Двигай груз равномерно и не меняй его.
3. Запиши оба показания в ньютонах и сравни их. Если при работе с рычагом прикладываемая сила меньше, он даёт выигрыш в силе в этой установке.

Ответ. Вывод зависит от измерений: укажи, оказалось ли усилие с рычагом меньше, равно или больше силы при подъёме напрямую. Не забудь записать показания прибора.

Подъём груза с помощью блока

Условие. Подними груз с помощью блока и выясни, изменилось ли направление приложенной силы и уменьшилось ли необходимое усилие. Само наблюдение, что груз движется вверх, ещё не отвечает на оба вопроса. Нужны и показание динамометра, и наблюдение за тем, куда ты тянешь верёвку.

1. Надёжно закрепи блок, пропусти верёвку через желоб и прикрепи груз. Убедись, что верёвка не соскальзывает.
2. Измерь силу при равномерном подъёме, одновременно отметив направление тяги. Для сравнения используй показание при подъёме того же груза без блока.
3. Сопоставь результаты отдельно: направление изменилось, если тянешь в одну сторону, а груз движется в другую; выигрыш в силе возможен, только если приложенное усилие стало меньше.

Ответ. Запиши, изменилось ли направление тяги и стало ли усилие меньше по сравнению с подъёмом без блока. Неподвижный блок обычно меняет направление силы, но не уменьшает её величину.

Подъём по наклонной плоскости

Условие. Сравни подъём груза напрямую с перемещением того же груза по наклонной плоскости. Измерь усилие динамометром в обоих случаях и объясни различие. При движении по наклонной плоскости тягу измеряют вдоль её поверхности.

1. Измерь силу, необходимую для прямого подъёма груза, и запиши результат в ньютонах.
2. Положи груз на устойчивую наклонную плоскость и тяни его вверх равномерно, направив динамометр вдоль поверхности. Запиши новое показание, не меняя груз.
3. Сравни измерения. Если для перемещения по плоскости требуется меньшее усилие, она облегчает подъём за счёт выбранного пути; значение вывода должно подтверждаться показаниями.

Ответ. Укажи оба измеренных значения и объясни, какое усилие оказалось меньше. Наклонная плоскость помогает поднимать груз, если опыт показывает, что для движения по ней нужно прикладывать меньшую силу.

Типичные ошибки

Сравнивать измерения, сделанные с разными грузами, — ошибка: более тяжёлый груз сам по себе требует большего усилия. Её допускают, когда не проверяют, тот ли предмет использован во всех опытах. Перед сравнением сверь груз и записи; они должны относиться к одному и тому же грузу.

Снимать показание до равномерного движения тоже неверно: при начале движения или рывке сила может временно отличаться. Так происходит, если торопиться или тянуть резко. Двигай груз плавно и снимай показание во время равномерного движения; повтори измерение, если прибор колеблется.

Изменение направления силы иногда принимают за выигрыш в силе, хотя это не одно и то же. Путаница возникает, когда замечают только, куда движется груз, и не сравнивают показания. Проверь два пункта отдельно: куда направлена тяга и стала ли приложенная сила меньше.

Если не записать единицы измерения или показания прибора, результаты трудно проверить и сопоставить. Часто Н не указывают, потому что считают единицу очевидной, или откладывают запись на потом. Записывай каждое значение сразу вместе с Н и сравни записи с показаниями динамометра.

Связь с другими темами

Для этой лабораторной работы нужно уметь распознавать силу и пользоваться динамометром — прибором для её измерения. Правила точного измерения помогают получить сравнимые показания, а проверка креплений делает опыт безопаснее. Результаты пригодятся при изучении сил и равновесия тел: положение опоры и приложенных сил влияет на действие рычага. Наблюдения о подъёме груза также связаны с механической работой, которую совершают при перемещении тела.

Что запомнить

• Простой механизм помогает изменить действие силы.
• Перед измерениями нужно проверить, что установка закреплена надёжно.
• Для сравнения результатов используют один и тот же груз.
• Силу измеряют динамометром и записывают вместе с единицей измерения.
• Рычаг, блок и наклонная плоскость действуют по-разному.
• Вывод должен опираться на результаты опыта.