Механизмы

Определения и обозначения

Механизм — устройство, которое помогает человеку выполнять работу, изменяя направление или величину силы. Например, груз можно поднять удобным способом или потянуть за верёвку вниз. Механизмы не делают работу вместо человека, а помогают приложить силу так, как удобнее.

Простые механизмы — рычаги и другие несложные устройства, из которых состоят более сложные механизмы. К ним относятся также блок, наклонная плоскость, клин и винт. Зная их устройство, легче понять, как работают инструменты и машины.

Рычаг — твёрдое тело, которое может поворачиваться вокруг неподвижной опоры. Опорой может служить, например, точка, на которую опирается лом. Рычаг нужен, чтобы поднимать или перемещать груз, прикладывая силу в удобном месте.

Блок — колесо с желобом, по которому проходит верёвка или трос. Желоб не даёт верёвке соскользнуть, а колесо помогает ей двигаться. По тому, закреплён блок на месте или движется с грузом, можно понять, как он изменяет действие силы.

Как это устроено

Человеку нужны механизмы, потому что некоторые грузы трудно поднять или переместить напрямую. Устройство может позволить действовать меньшей силой, изменить направление её действия или сделать работу удобнее. Например, с неподвижным блоком можно тянуть верёвку вниз, а груз при этом поднимается вверх. Механизм передаёт приложенную человеком силу, а не создаёт её сам.

Рычаг поворачивается вокруг опоры, которая делит его на части — плечи. Плечом называют расстояние от опоры до места, где приложена сила. Если нажимать дальше от опоры, то для поворота часто требуется меньшая сила: длинное плечо помогает действовать эффективнее. Поэтому лом удобнее нажимать за дальний конец, а не возле точки опоры.

Неподвижный блок закреплён на одном месте, поэтому он не поднимается вместе с грузом. Когда человек тянет верёвку вниз, другой её конец движется вверх и поднимает груз: так блок меняет направление силы. Сам по себе такой блок не уменьшает необходимую силу. Подвижный блок, напротив, прикреплён к грузу и перемещается вместе с ним; нагрузка распределяется между участками верёвки, поэтому приложить можно меньшую силу.

Наклонная плоскость — ровная поверхность, поставленная под наклоном. Чтобы поднять по ней груз на нужную высоту, его перемещают по более длинному пути, зато обычно требуется меньшая сила. Клин похож на две наклонные поверхности, соединённые острыми краями: при нажатии он раздвигает или разделяет предметы. Винт устроен как наклонная плоскость, навитая на цилиндр, поэтому его можно постепенно вкручивать поворотами.

Выигрыш в силе не означает, что для перемещения груза совсем не нужно затрачивать работу. Если сила становится меньше, обычно увеличивается расстояние, на котором её прикладывают. Например, груз по длинному пандусу приходится перемещать дальше, чем при прямом подъёме. Механизм меняет способ выполнения работы, но не превращает её в «бесплатную».

Основные механизмы и их назначение

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите механизм по названию или примеру, а затем сравните его части и назначение. Последний столбец показывает, меняет ли устройство направление силы или помогает уменьшить её. Не делайте вывод о выигрыше в силе только по наличию колеса или рычага: посмотрите, как именно механизм закреплён и действует.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какой механизм используется в ножницах, щипцах и открывашке. Нужно не просто узнать знакомый предмет, а проверить, есть ли у него опора и поворачивается ли рабочая часть вокруг неё. Сравним устройства с устройством рычага.

1. Найдём место, вокруг которого движутся части предмета или поворачивается рукоятка. Оно выполняет роль опоры.
2. Проверим, прикладываем ли мы усилие на некотором расстоянии от опоры. Если да, предмет может действовать как рычаг.
3. У ножниц части поворачиваются вокруг винта, у щипцов — вокруг соединения, а открывашка опирается на край крышки или бутылки. Во всех трёх случаях действие помогает поворот вокруг опоры.

Ответ: ножницы, щипцы и открывашка используют принцип рычага. Устройство предметов различается, но во всех случаях есть опора и части, которые поворачиваются вокруг неё.

Задача 2. Объясните, почему неподвижный блок не уменьшает силу, но помогает поднимать груз, когда верёвку тянут вниз. Важно разделить два разных действия механизма: изменение направления силы и уменьшение её величины. Представим, что один конец верёвки прикреплён к грузу, а за другой тянет человек.

1. Проверим, движется ли блок вместе с грузом. Он закреплён на месте, значит, это неподвижный блок.
2. Проследим за концами верёвки: если тянуть свободный конец вниз, конец у груза движется вверх. Блок изменяет направление силы.
3. Поскольку блок не движется с грузом, он не разделяет нагрузку так, как это делает подвижный блок. Поэтому необходимая сила сама по себе не становится меньше.

Ответ: неподвижный блок позволяет тянуть вниз, чтобы поднять груз вверх, но не даёт выигрыша в силе. Его польза — в изменении направления действия силы.

Задача 3. Есть два пандуса для подъёма одного и того же груза на одну высоту: короткий крутой и длинный пологий. Определите, где понадобится меньшая сила. Сравним не только высоту, но и путь, по которому передвигают груз.

1. Установим, что высота подъёма одинакова. Значит, результат — положение груза наверху — у пандусов один и тот же.
2. Сравним длину пути: длинный пологий пандус заставляет перемещать груз дальше, а короткий крутой — на меньшее расстояние.
3. Наклонная плоскость облегчает подъём за счёт увеличения пути. Поэтому для длинного пологого пандуса обычно требуется меньшая сила.

Ответ: меньшую силу нужно приложить на длинном пологом пандусе. Груз проходит больший путь, поэтому выигрыш в силе не означает уменьшения всей выполненной работы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой механизм уменьшает силу. Так думают, потому что многие устройства действительно облегчают подъём груза. Но некоторые механизмы, например неподвижный блок, только меняют направление силы или делают работу удобнее. Проверь себя: выясни, уменьшается ли требуемая сила или меняется лишь направление, в котором ты тянешь.

Ошибка: путать неподвижный и подвижный блоки. Оба устройства состоят из колеса с желобом и верёвки, поэтому их легко смешать. Различие в том, что неподвижный блок закреплён, а подвижный перемещается вместе с грузом. Проверь себя: проследи, поднимается ли само колесо, когда поднимают груз.

Ошибка: называть любую палку рычагом. Палка может выглядеть похожей на рычаг, но одного сходства формы недостаточно. Рычаг должен опираться на неподвижную точку и иметь возможность поворачиваться вокруг неё. Проверь себя: покажи опору и объясни, вокруг чего поворачивается тело.

Ошибка: думать, что выигрыш в силе уменьшает всю выполненную работу. Если силу приложить на большем расстоянии, груз можно перемещать легче, и поэтому кажется, будто работы стало меньше. На деле при меньшей силе обычно приходится пройти больший путь. Проверь себя: сравни и силу, и расстояние её действия, а не только усилие в руках.

Связь с другими темами

Для изучения механизмов пригодится знание о силе: она может изменять движение или форму тела. Нужно также различать силу, груз и опору, чтобы правильно описывать действие рычага и блока. Позже механизмы помогут понять темы работы и энергии, а также устройство простых приборов. В быту и технике те же принципы можно найти в инструментах, подъёмниках, транспорте и бытовых устройствах.

Что запомнить

• Механизм помогает выполнять работу удобнее.
• Рычаг действует вокруг опоры.
• Неподвижный блок изменяет направление силы.
• Подвижный блок позволяет уменьшить необходимую силу.
• Наклонная плоскость уменьшает силу за счёт увеличения пути.
• Выигрыш в силе не означает выигрыша в работе.
• Многие сложные машины состоят из простых механизмов.