Чем длиннее плечо рычага тем сила
Перейти к содержимому

Чем длиннее плечо рычага тем сила

  • автор:

Почему длинное плечо рычага дает выигрыш в силе? Можно ли объяснить это на молекулярном уровне?

Я пыталась найти ответ и на русско- и на англоязычных форумах, и наткнулась на теорию, что если ты хватаешь рычаг ближе к точке опоры и немного нажимаешь на него, то в итоге ты передвигаешь гораздо больше атомов, чем если бы ты нажал на конец рычага.
На английском: «if you have a lever on a hinge and you grab it close to the hinge and move it a tiny bit then you end up moving all of the atoms a lot more than if you grab the very end and move it a tiny bit».
Но я не совсем могу это представить, ведь рычаг в обоих случаях одного размера, то есть молекулы в любом случае передвигаются в одинаковом количестве.

Лучший ответ

условно говоря ,,выигрыш,, заключается в ускорении==
(разной скорости) перемещения молекул на разном расстоянии от точки опоры,
из-за длинны плеч.
=
примерно обьяснить можно на аналогии.
возьми камень и зашвырни его рукой.
и
попробуй не кинуть его, а заставить его ,,улететь,, шлепком ладони с размаха.
=
в первом случае почувствуешь просто тяжесть камня при размахе,
а во втором== отобьёшь ладонь.
почему? ведь вес камня и усилия вроде одинаковые)))
эффект в ,,скорости,, (условно говоря)
кидая-ты молекулы разгоняешь =плавно.
а при ударе рукой, заставляешь молекулы -сразу- начать лететь с большой скоростью.
примерно то-же и в рычаге,
длинное плечо рычага ты двигаешь с одной скоростью, на большее расстояние,
а на коротком плече, молекулы (или точнее атомы) перемещаются быстрее и на маленькое расстояние.
быстро летящий камень, ударит сильнее, чем медленно летящий.
примерно так и получаем выигрыш в силе, в рычаге.
перемещая длинное плечо, совершаем больше ,,работы,, за большее время,
а короткое плечо, при этом, -быстрее- передаёт всё
,,приложенное усилие,, -моментальное-усилие,
умноженное на длительность этого усилия (т. е разницу длинны плеч)
иными словами ты, давишь слабее на длинный рычаг, но несколько раз
(больше работы) =пропорционально разнице этих длинн, например 10-к-одному см.
а на коротком, все эти -10 раз, складываются в одно усилие сразу, но уже на
расстоянии -1 см, и почти моментально.
=примерно так, как-то=))))

Остальные ответы

Молекулы здесь — «как пассатижы в бане», работает закон сохранения энергии,

выкинь из головы эту чушь — это чистой воды ересь
тут дело в другом: чем ближе к точке опоры (короче рычаг), тем большую работу ты проделаешь, затратив больше энергии

Avrona KulaginaУченик (119) 1 год назад
Вот так люди и сходят по-тихоньку с ума, пытаясь объяснить с необъяснимой стороны.
владимир ивановЗнаток (257) 4 года назад
Так объясни человеку с объяснимой стороны
Или ты сам не знаешь ?

Никанор Никаноров Просветленный (49803) Я чушь объяснять не собираюсь. Это ты у нас мастер по таким вопросам. С объяснимой стороны — это объяснение с точки зрения золотого правила механики, без всякого передвигания атомов и т. д.

На форумах можно встретить много всякой чуши.

Попробуйте бумажные учебники, и всё получится.

Атомы тут ни при чем (рычаг мог бы быть сплошным). А выигрыш в силе можно понять и простить вспомнив о проигрыше в пройденном пути

Всё наоборот — чтобы что-то научиться понимать, полезно научиться абстрагироваться от всякой неуместной фуйни, в случае объяснения принципа работы рычага — от молекул.

Извините, что я их так обозвал, но на этот раз считаю такое обзывательство оправданным.

Боже вы все отвечаете какую-то дичь со школьной скамьи. Человек задает вопрос куда глубже. Причем тут вообще работа? Да, работы совершается больше за счет выигрыша в силе, но это просто побочный эфект выигрыша в силе, а не суть вопроса.Вероятно человек хотел узнать, что там происходит на молекулярном уровне, в какие направления и в каком количестве прикладываются силы, вес молекул на конкретные точки приложения сил и тд(т. е. как выигрыш в силе протекает там — на молекулярном уровне) И скорость молекул тут не причем. Ты можешь с такой же маленькой скоростью надавливать на длинное плечо и просто совершишь больше работы и затратишь больше времени. Например ситуация: есть 6 железных шариков каждый весит по килограмму. Условный человек «А» берет по одному шарику и перетаскивает на расстояние 100м. Так он перетаскал все 6 шариков. А другой человек «Б» взял и сварил эти 6 шариков в одну конструкцию и перетащил ее на 100 метров. И вы начинатете рассказывать что человек «А» получил выигрыш в силе мол, потому что бегал не один раз а 6 раз. Но от вас хотят услышать совсем другое. А именно что за счет того что человек «А» не стал сваривать шарики, в руке он за раз держал меньшее количество молекул, ну т.е. вес был меньше. Все! В случае с рычагом тут все сложнее. Я честно сам незнаю, но догадываюсь, что тут все дело в точке опоры и 3м законе Ньютона. Т. е. чем длиннее плечо тем слабее мы давим на точку опоры через это плечо (ну потому что дальше от нее и связь молекул слабеет по расстоянию от точки приложения силы до точки опоры). А если мы слабее давим на опору, то и опора слабее давит на нас. Т.е там где плечо короткое мы на опору давим сильнее и она давит сильнее на нас. Делаем вывод опора всегда будет давить на короткое плечо сильнее, чем на длинное. Если например мы возьмем длину плеча 0, то мы по сути будем тупо втыкать в саму опору и бороться уже с ее силой упругости или наоборот если мы возьмем бесконенчно большую длину плеча то там из-за большого расстояния связь с опорой будет практически утеряна и опора никак не будет нам препятствовать. При этом нужно помнить, что рычаг как-бы перенаправляет приложенные силы с разных концов и в результате этого сила упругости опоры мешая силе на одном конце как-бы помогает другой. Из-за этого и получается выигрыш в силе.

Простые механизмы: что это и как они работают

Умение облегчать себе труд с помощью технологий отличает человека от животного. Тысячи лет назад наши предки научились мастерить простые механизмы, которые способны увеличивать усилие, а также изменять направление прикладываемой силы. Принципы их работы лежат в основе любого орудия труда — от садовой лопаты до подъёмного крана.

Простые механизмы — приспособления, служащие для преобразования вектора силы по величине и/или направлению.

Виды простых механизмов

  • наклонная плоскость и её разновидности: клин и винт;
  • рычаг и его разновидности: блок и ворот.

Теперь расскажем, как они работают. В этой статье мы рассмотрим действия идеальных механизмов, в работе которых не учитывается сила трения.

Работа простых механизмов

Наклонная плоскость

Подниматься по пологому склону горы легче, чем карабкаться по отвесной скале. Чем меньше наклон — тем легче его преодолеть. Это нехитрое наблюдение помогло людям создать простой механизм — наклонную плоскость.

Допустим, нам нужно поднять груз на определённую высоту. Конечно, можно сделать это непосредственно:

Работа простых механизмов

Правда, если груз большой, приложить достаточную силу будет нелегко. Но если поставить его на лёгкую тележку и вкатывать по наклонной плоскости, то понадобится гораздо меньше усилий.

Работа механизмов на наклонной плоскости

Чем меньше угол наклона плоскости, тем больше выигрыш в силе.

Чем меньше угол наклона плоскости, тем больше выигрыш в силе

Чтобы просто поднять груз весом в один килограмм, требуется усилие:

Чтобы просто поднять груз весом в один килограмм, требуется усилие

Теперь посмотрим, какое усилие понадобится, чтобы поднять этот груз на один метр, используя наклонную плоскость длиной десять метров:

Усилие, чтобы поднять груз на один метр, используя наклонную плоскость длиной десять метров

Использование наклонной плоскости позволило нам выиграть в силе десять раз. Но путь, который нам пришлось пройти с грузом, также увеличился вдесятеро.

Клин

С помощью наклонной плоскости удобно не только поднимать грузы. Рассмотрим топор: его лезвие — это клин, боковые поверхности которого сходятся под острым углом, образуя наклонные плоскости. Когда мы вонзаем топор в полено, эти плоскости с огромной силой раздвигают волокна древесины и заставляют полено расколоться.

Клин

При ударе сила P вгоняет топор в дерево, и на его лезвие действуют сдавливающие силы F со стороны полена. Проекция каждой из сил F на плоскость симметрии лезвия (AB) равна

Проекция каждой из сил F на плоскость симметрии лезвия

Поскольку они действуют с двух сторон, условие равновесия сил таково:

Условие равновесия сил

Чем длиннее и острее клин (то есть чем меньше угол), тем меньше может быть P по отношению к 2F. Угол лезвия обычного колуна — около 25°, соответственно сила Р примерно в пять раз меньше, чем 2F. Иными словами, чтобы расколоть полено, нужно приложить в пять раз меньше усилий, чем требуется, чтобы разорвать его.

Люди пользуются топорами уже более 9 000 лет. Гвозди, иглы и ножи работают по тому же принципу.

Клин придуман не человеком, а самой природой: например, клюв дятла легко вонзается в дерево благодаря оптимальной клиновидной форме.

Винт

Если свернуть наклонную плоскость в спираль вокруг цилиндра — получится винт.

Винт

Впервые описание винта встречается в работах древнегреческого учёного Архита Тарентского, жившего в V–IV веках до нашей эры. Знаменитый Архимед в III веке до нашей эры создал с помощью винта устройство для подъёма воды в оросительные каналы. Винты широко используют для крепления деталей, бурения отверстий и даже в качестве движителя сверхпроходимых шнекороторных вездеходов.

Резьба винта — это наклонная плоскость длиной l и высотой h, свёрнутая в трубочку. Когда мы наворачиваем гайку на болт, мы перемещаем её по наклонной плоскости.

Как и в случае с обычной плоскостью, выигрыш в силе равен отношению h к l, но теперь l рассчитывается по формуле длины окружности:

l рассчитывается по формуле длины окружности

Расстояние между витками называют шагом резьбы. Чем оно меньше, тем длиннее плоскость и больше выигрыш в силе.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72020 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучаются простые механизмы.

Рычаг

Простейший рычаг — это палка, способная вращаться вокруг неподвижной опоры. Принцип рычага используется при работе башенного крана, рычажных весов, кухонных ножниц и даже обычной лопаты. Интересно, что кости в наших конечностях тоже работают как рычаги.

Рычаг

У любого рычага есть точка опоры (О) и два плеча (длины l1 и l2), к которым в точках A и B прикладываются силы.

Вращение рычага зависит от приложенной к нему силы и от длины плеча. Чем больше сила и чем длиннее плечо, тем сильнее вращающее действие. Именно поэтому работать лопатой проще, держа её ближе к концу черенка, а нести груз на согнутой руке легче, чем на вытянутой.

Чем больше сила и чем длиннее плечо, тем сильнее вращающее действие

На рисунке тело А воздействует на рычаг с большей силой, чем тело B, но плечо l1 короче, чем l2 , поэтому тела находятся в равновесии. В таких случаях говорят, что моменты двух сил уравновешены.

Момент силы — произведение силы на длину плеча.

Момент силы — произведение силы на длину плеча

Рассчитаем моменты силы для обоих тел.

Рассчитаем моменты силы для обоих тел

Тела находятся в равновесии, значит,

Тела находятся в равновесии

Чем больше будет длина плеча l2, тем меньшее усилие понадобится, чтобы уравновесить тело A. Так, при достаточной длине рычага можно поднять даже «неподъёмный» груз.

Чем больше будет длина плеча l2, тем меньшее усилие понадобится

Чтобы просто поднять тело, нужно преодолеть силу тяжести:

Чтобы просто поднять тело, нужно преодолеть силу тяжести

Чтобы вычислить силу для поднятия тела рычагом, нужно приравнять соответствующие моменты сил:

Приравниваем соответствующие моменты сил

Вычисление силы для поднятия тела рычагом

Если l1 больше l2 в пять раз, то:

Увеличивая длину плеча, мы выигрываем в силе в 5 раз

Увеличивая длину плеча, мы выигрываем в силе, но проигрываем в перемещении. Нам удалось уменьшить силу в 5 раз, но чтобы короткое плечо рычага поднялось на 10 сантиметров вверх, придётся опустить длинное на 50 сантиметров.

Блок

Частный случай рычага — блок. Так называют колесо с жёлобом, в который вложен трос.

Если ось колеса зафиксировать, к одному концу троса привязать груз, а за другой тянуть — получится простой механизм «неподвижный блок».

Неподвижный блок

На груз действует сила тяжести F = mg. Чтобы удержать верёвку, требуется приложить такую же силу. Никакого выигрыша в величине силы неподвижный блок не даёт. Зато можно менять её направление — тянуть верёвку в любую сторону.

Если прицепить груз к оси колеса, один конец верёвки закрепить, а за другой тянуть — получится подвижный блок, который позволяет выиграть в силе в два раза.

Эффект достигается за счёт того, что блок с грузом поднимают как бы сразу две верёвки: за левую тянет человек, а правую натягивается вбитый в потолок гвоздь.

Подвижный блок

За выигрыш в силе приходится платить проигрышем в перемещении: чтобы поднять груз на нужную высоту h, понадобится выбрать вдвое большую длину и верёвки: l = 2h.

Ворот

Ворот издревле применяется для поднятия воды из колодца. К барабану, способному вращаться вокруг своей оси, прикреплены верёвка и рукоять. Когда мы вращаем рукоятку — вращается и цилиндр, а верёвка наматывается на него, поднимая или опуская груз.

Ворот

Ворот действует по тому же принципу, что и рычаг: плечом силы в данном случае становится рукоятка, а плечом груза — радиус барабана. Чем длиннее рукоять относительно радиуса барабана — тем больше выигрыш в силе.

На рисунке длина рукояти равна трём радиусам барабана. Значит, он поднимает ведро с силой, в три раза большей, чем сила наших рук. При этом путь, который проходит рукоять ворота, в три раза длиннее куска верёвки, который в это время накручивается на вал.

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:

Произведение силы на перемещение в механике называется работой

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.

Скоро перезвоним!

Или напишем на почту, если не получится дозвониться

Физика

Простые механизмы – это устройства, с помощью которых работа совершается только за счет механической энергии. Нас окружают устройства, работающие за счет электроэнергии (см. рис. 1), за счет энергии сгорания топлива, но не всегда так было.

Чайник, работающий за счет электроэнергии

Рис. 1. Чайник, работающий за счет электроэнергии

Раньше всю работу можно было выполнить фактически руками, или с помощью животных, за счет ветра или течения воды (мельницы), то есть за счет механической энергии (см. рис. 2).

Давние простые механизмыДавние простые механизмы

Рис. 2. Давние простые механизмы

И помогают в этом, облегчают выполнение работы, простые механизмы.

Наши силы ограничены, и это проблема. Мы, например, не можем за один раз поднять и перенести с одного места на другое тонну кирпичей. Зато мы можем потратить больше времени, пройти большее расстояние туда-сюда и перенести кирпичи по четыре за один подход, или сколько сможем унести. Как быть с шурупом, который нужно вкрутить в дерево? Вкрутить его голыми руками мы не можем. Вкрутить его по кусочку, как гору кирпичей по кирпичику, тоже нельзя. Нужно использовать механизм, отвертку. С ней нам приходится прокрутить шуруп на несколько оборотов, чтобы он вошёл в дерево хотя бы на сантиметр. Но зато это несравненно легче, чем руками.

Простой механизм — лопата

Рассмотрим такой простой механизм, как, например, лопата. Конечно, она облегчает выполнение работы, с ней намного легче копать землю, чем руками. Мы воткнули лопату в землю. Чтобы поднять ком земли, нужно надавить на черенок. Где вы будете давить, чтобы было легче? Опыт подсказывает, что надо надавить, то есть приложить силу, поближе к концу черенка (см. рис. 3).

Выбор точки приложения силы

Рис. 3. Выбор точки приложения силы

Попробуйте приложить силу ближе к полотну лопаты, поднять ком земли станет намного тяжелее. Прикладывая прежнюю силу, вы уже ничего не поднимете. Именно поэтому лопаты с коротким черенком, например саперные, делаются с маленьким полотном: много земли с коротким черенком все равно не поднимешь.

Лопата представляет собой рычаг. Рычаг – это твердое тело, имеющее неподвижную ось вращения (чаще всего это точка опоры или подвеса). На него действуют силы, которые стремятся повернуть его вокруг оси вращения. У лопаты ось вращения – это точка опоры на верхнем краю ямки (см. рис. 4).

Ось вращения лопаты

Рис. 4. Ось вращения лопаты

На полотно лопаты с некоторой силой действует комок земли, который мы поднимаем, а на черенок, с меньшей силой, – наши руки (см. рис. 5).

Действие сил

Рис. 5. Действие сил

Качели-балансир

Рассмотрим другой пример: все катались на качелях-балансире (см. рис. 6).

Качели-балансир

Рис. 6. Качели-балансир

Это тоже рычаг: есть неподвижная ось вращения, вокруг которой качели вращаются под действием сил тяжести детей.

Чтобы перевесить своего друга, сидящего на противоположном сидении, поднять его, вы сядете на самый край качели. Если сядете ближе к опоре качели, можете не перевесить. Тогда нужно на ваше место посадить кого-то взрослого и тяжелого (см. рис. 7).

Приложенная сила должна быть больше, чем на краю

Рис. 7. Приложенная сила должна быть больше, чем на краю

В такой точке приложения силы нужна большая сила, чем когда сила прикладывалась к краю качели (см. рис. 8).

Приложение сил

Рис. 8. Приложение сил

Рычаг

Как вы уже заметили, чем дальше от точки опоры мы приложим силу, тем меньшая нужна сила для совершения одной и той же работы. Причем сила нужна во столько же раз меньшая, во сколько раз больше плечо рычага. Плечо рычага – это расстояние от точки опоры или подвеса рычага до точки приложения силы (см. рис. 9).

Плечо рычага и сила

Рис. 9. Плечо рычага и сила

Силы будем прикладывать перпендикулярно рычагу.

Направление силы, действующей на рычаг

В каком направлении вы будете действовать на лопату, чтобы поднять землю? Вы приложите силу к лопате так, чтобы она оборачивалась вокруг точки опоры, то есть перпендикулярно черенку (см. рис. 10).

Направление силы

Рис. 10. Направление силы

Если вы будете действовать вдоль черенка, землю это не поднимет, вы разве что вытащите лопату из земли или воткнете ее глубже. Если вы будете давить на черенок под углом, силу можно представить как сумму двух сил: вы давите перпендикулярно черенку и одновременно толкаете или тащите вдоль черенка (см. рис. 11).

Действие силы вдоль черенка

Рис. 11. Действие силы вдоль черенка

Вращать лопату будет только перпендикулярная составляющая.

Итак, у нас есть рычаг и две силы, которые на него действуют: вес груза и сила, которую мы прикладываем, чтобы этот груз поднять. Мы выявили, что чем больше плечо рычага, тем меньше нужна сила, чтобы уравновесить рычаг. Причем во сколько раз больше плечо рычага, во столько раз меньше сила. Математически это можно записать в виде пропорции:

При этом неважно, приложены силы по разные стороны от точки опоры или по одну сторону. В первом случае рычаг назвали рычагом первого рода (см. рис. 12), а во втором – рычагом второго рода (см. рис. 13).

Рычаг первого рода

Рис. 12. Рычаг первого рода

Рычаг второго рода

Рис. 13. Рычаг второго рода

Работа с лопатой

Мы рассмотрели, как лопата позволяет нам легче копать землю. Она опирается на край образовавшейся ямки в земле, это будет осью ее вращения. Вес земли приложен к короткому плечу рычага, мы руками прикладываем силу к длинному плечу рычага (см. рис. 14).

Приложение сил к лопате

Рис. 14. Приложение сил к лопате

Причем во сколько раз отличаются плечи рычага, во столько же раз отличаются силы, приложенные к этим плечам.

Итак, мы приподняли ком земли, но дальше нужно взять лопату двумя руками, поднять ее полностью и перенести землю. Где мы возьмемся за черенок лопаты второй рукой? Всё просто, когда мы уже знаем принцип работы рычага. Вторая рука станет новой опорой рычага. Она должна быть расположена так, чтобы снова дать выигрыш в силе, она должна снова разделить рычаг на короткое и длинное плечи. Поэтому мы возьмем лопату как можно ближе к полотну лопаты. Попробуйте поднять лопату, взявшись обеими руками за край – у вас может ничего не получиться даже с пустой лопатой.

Принцип, по которому работает рычаг, используется очень часто. Например, плоскогубцы – рычаг первого рода (см. рис. 15). Мы действуем на ручки плоскогубцев с силой , а плоскогубцы действуют на кусок проволоки, трубку или гайку с силой , по модулю намного большей, чем . Во столько раз большей, во сколько раз больше:

Пример рычага первого рода

Рис. 15. Пример рычага первого рода

Еще один рычаг – консервный нож, только теперь точки приложения находятся по одну сторону от точки опоры О. И снова мы прикладываем к ручке силу , а лезвие открывалки действует на жесть консервной банки с намного большей по модулю силой (см. рис. 16).

Пример рычага второго рода

Рис. 16. Пример рычага второго рода

Во сколько раз больше, чем ? Во столько же, во сколько раз больше, чем :

Выигрыш в силе можно получить огромный, мы ограничены разве что длиной рычага и его прочностью.

Задача

Рассчитаем, какой длины должен быть рычаг, чтобы с его помощью хрупкая девушка массой 50 кг смогла приподнять автомобиль массой 1500 кг, надавив на рычаг всем своим весом. Точку опоры рычага разместим так, чтобы короткое плечо рычага было равно 1 м (см. рис. 17).

Рисунок к задаче

Рис. 17. Рисунок к задаче

В задаче описан рычаг (см. рис. 18).

Условие задачи 1

Рис. 18. Условие задачи 1

Мы знаем, во сколько раз выигрыш в силе дает рычаг:

Силы прикладываются по разные стороны от опоры рычага, поэтому два плеча рычага в сумме составят его длину:

Мы описали математически процесс, заданный в условии. В нашем случае сила , действующая на плечо , – это вес автомобиля , а сила , действующая на плечо , – вес девушки .

Теперь осталось только решить уравнения и найти ответ.

Из первого уравнения найдем плечо .Бόльшая сила приложена к меньшему плечу рычага, значит – это и есть короткое плечо, равное 1 м.

Длина рычага равна:

Как лопата копает сама?

Рассматривая примеры, мы не учитывали силу тяжести, действующую на рычаг.

Представьте, что мы воткнули лопату неглубоко в землю. Если лопата достаточно тяжелая, небольшую массу земли она сможет поднять без нашей помощи, нам даже не нужно будет прикладывать к черенку никакую силу. Лопата повернется вокруг оси вращения под действием сил тяжести, действующей на черенок лопаты (см. рис. 19).

Поворачивание лопаты вокруг своей оси

Рис. 19. Поворачивание лопаты вокруг своей оси

Однако чаще всего вес рычага пренебрежимо мал по сравнению с силами, которые на него действуют, поэтому в нашей модели мы считаем рычаг невесомым.

Сила и перемещение

На примере девушки и автомобиля мы увидели, что с помощью рычага можно выполнить такую работу, которую без рычага мы бы никогда не выполнили. С помощью рычага можно было бы сдвинуть даже Землю, о чем говорил Архимед (см. рис. 20).

Предположение Архимеда

Рис. 20. Предположение Архимеда

Проблема в том, что рычаг не на что опереть, нет подходящей точки опоры. И вы, конечно, представляете, какой невообразимой длины должен быть такой рычаг, ведь масса Земли равна 5974 миллиарда миллиардов тонн.

Слишком всё хорошо получается: мы можем почти неограниченно уменьшать силу, необходимую для выполнения работы. Должен быть подвох, иначе с рычагом наши возможности были бы безграничны. В чем подвох?

Используя рычаг, мы прикладываем меньшую силу, но при этом совершаем большее перемещение (см. рис. 21).

Перемещение увеличивается

Рис. 21. Перемещение увеличивается

Мы передвинули черенок лопаты на вытянутую руку, но подняли землю всего на несколько сантиметров. Архимед, если бы всё-таки нашел точку опоры, за всю свою жизнь не успел бы повернуть свой рычаг так, чтобы сдвинуть Землю. Чем меньшую силу мы прикладываем, тем большее перемещение совершаем. А произведение силы на перемещение, то есть работа, остается постоянным. То есть рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемещении, или наоборот.

Рычаги, которые используются «наоборот»

Не всегда рычаги используются для того, чтобы совершать работу, прикладывая меньшую силу. Иногда важно выиграть в перемещении, даже если при этом приходится прикладывать бόльшую силу. Так делает рыбак, которому нужно вытащить рыбу, переместить ее на большое расстояние. При этом он использует удочку как рычаг, прикладывая силу к ее короткому плечу (см. рис. 22).

Использование удочки

Рис. 22. Использование удочки

Рычагом является и наша рука. Мышцы руки сокращаются, и рука сгибается в локте. При этом она может поднять какой-нибудь груз, совершить работу. При этом на кости предплечья действуют с некоторыми силами мышцы и груз (см. рис. 23).

Наша рука – рычаг

Рис. 23. Наша рука – рычаг

Ось вращения предплечья – локтевой сустав. Из таких рычагов состоит весь наш опорно-двигательный аппарат. И сам термин «плечо рычага» назван так по аналогии с плечом одного из рычагов в нашем теле – руки.

Мышцы так устроены, что они при сокращении не могут укорачиваться на те полметра, на которые нам нужно поднять, например, чашку с чаем. Нужно выиграть в перемещении, поэтому мышцы крепятся ближе к суставу, к меньшему плечу рычага. При этом нужно приложить бόльшую силу, но для мышц это не проблема.

Наклонная плоскость

Рычаг – не единственный простой механизм, который облегчает нам выполнение работы.

Каким простым механизмом вы пользуетесь, когда поднимаетесь на первый этаж? Можно допрыгнуть до окна, если получится, и просто вскарабкаться в комнату. Мы привыкли совершать ту же работу по перемещению себя домой намного безопаснее и легче – поднимаясь по лестнице. Так мы проделываем больший путь, но прикладываем к себе меньшую силу. Если мы сделаем длинную пологую лестницу, подниматься станет еще легче, будем идти почти как по ровной поверхности, но путь проделать придется бόльший (см. рис. 24).

Пологая лестница

Рис. 24. Пологая лестница

Наклонная плоскость является простым механизмом. Всегда легче не поднимать что-то тяжелое, а втащить его под уклон.

Рассмотрим, как топор раскалывает древесину. Его лезвие заостренное и расширяется ближе к основанию, и чем глубже клин топора вгоняется в древесину, тем шире она раздается и в итоге раскалывается (см. рис. 25).

Рубка дров

Рис. 25. Рубка дров

Принцип действия клина тот же, что и для наклонной плоскости. Чтобы раздвинуть части древесины на сантиметр, нужно было бы приложить огромную силу. К клину достаточно приложить меньшую силу, правда, придется совершить большее перемещение вглубь древесины.

По тому же принципу наклонной плоскости работают и винты. Присмотримся к шурупу: бороздка вдоль шурупа представляет собой наклонную плоскость, только обернутую вокруг стержня шурупа (см. рис. 26).

Рис. 26. Наклонная плоскость шурупа

И мы также без особых усилий вгоняем шуруп на нужную нам глубину. При этом, как обычно, проигрываем в перемещении: нужно сделать много оборотов шурупа, чтобы вогнать его на пару сантиметров. В любом случае это лучше, чем раздвинуть древесину и вставить туда шуруп.

Когда мы вкручиваем шуруп отверткой, мы еще больше облегчаем себе работу: отвертка представляет собой рычаг. Смотрите: сила, с которой на жало отвертки действует шуруп, приложена к меньшему плечу рычага, а мы своей рукой действуем на большее плечо (см. рис. 27).

Принцип работы отвертки

Рис. 27. Принцип работы отвертки

Рукоятка отвертки толще, чем жало. Если бы у отвертки были ручки, как у штопора, выигрыш в силе был бы еще больше.

Мы так часто пользуемся простыми механизмами, что даже не замечаем этого. Возьмем обычную дверь. Сможете назвать три случая использования простого механизма в работе двери?

Обратите внимание, где находится ручка. Она всегда находится у края двери, подальше от петель (см. рис. 28).

Местоположение ручки на двери

Рис. 28. Местоположение ручки на двери

Попробуйте открыть или закрыть дверь, надавив на нее поближе к петлям, будет трудно. Дверь представляет собой рычаг, и чтобы для открытия двери было достаточно как можно меньшей силы, плечо этой силы должно быть как можно больше.

Присмотримся к самой ручке. Если бы она представляла собой голую ось, открыть дверь было бы трудно. Ручка увеличивает плечо, к которому приложена сила, и мы, прикладывая меньшую силу, открываем дверь (см. рис. 29).

 Ручка двери

Рис. 29. Ручка двери

Присмотримся к форме ключа. Думаю, вы сможете ответить, зачем их делают с широкими головками. А почему петли, на которых дверь держится, расположены не рядом друг с другом, а приблизительно на четверть высоты от краев двери? Вспомните, как мы брали лопату, когда поднимали ее – здесь тот же принцип. А еще можно обратить внимание на срезанный под углом язычок замка, на шурупы, которыми дверь прикручена к петлям (см. рис. 30).

Петли двери

Рис. 30. Петли двери

Итоги

Как видите, простые механизмы лежат в основе всевозможных устройств – от двери и топора до подъемного крана. Мы используем их неосознанно, когда выбираем, например, где взяться за ветку, чтобы наклонить ее. Сама природа при создании человека использовала простые механизмы, когда создавала нашу опорно-двигательную систему или зубы с их клиновидной формой. И если вы будете внимательны, вы заметите еще множество примеров того, как простые механизмы облегчают выполнение механической работы, и сможете их использовать еще более эффективно.

На этом наш урок окончен, спасибо за внимание!

Список литературы

  1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
  2. Перышкин А.В. Физика: Учебник 7 класс. – М.: 2006. – 192 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Virtuallab.by (Источник).
  2. School.xvatit.com (Источник).
  3. Лена24.рф (Источник).
  4. Fizika.ru (Источник).

Домашнее задание

  1. Что такое рычаг? Дайте определение.
  2. Какие примеры рычагов вы знаете?
  3. Длина меньшего плеча рычага 5 см, большего 30 см. На меньшее плечо действует сила 12 Н. Какую силу надо приложить к большему плечу, чтобы уравновесить рычаг?

Чем больше плечо рычага, тем большую силу нужно к нему приложить?

Киборгс

Чем больше плечо рычага, тем МЕНЬШУЮ силу нужно к нему приложить, для достижения того же результата.
Цитата: «Дайте мне точку опоры и я переверну землю.»
На этом же правиле основаны детские качели (доска на опоре посередине). Можно с лёгкостью, одной рукой, поднять человека своего веса, находящегося на другом конце доски. Чем короче доска, тем труднее это сделать.

Новые вопросы в Физика

Помогите пожалуйста очень срочно
У меня 10баалов спасибо тебе

1. Установите соответствие между видом выветривания и его фактором Вид выветривания 1. Органическое выветривание 2. Физическое выветривание 3. Химичес … кое выветривание факторы выветривания А. Действие воды и углекислого газа В. Селевые потоки С. Песчаные бури D. Корни растений Е. Микроорганизмы F. Дробление горных породпомогитее​

Определите силу давления воздуха, действующую на альпиниста на вершине горы Килиманджаро, высота которой 5895 м. Учтите, что давление воздуха у поднож … ия горы равно 100 кПа, а площадь поверхности тела альпиниста 190 дм2. Б К 1 провод 1 мм. мама = 133 Па, а давление составляет 1 мм рт. ст. на каждые 12 м увеличения высоты над уровнем моря. Обратите внимание, что оно уменьшится.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *