Исследовательская работа "Рычаг - как это работает"

9

Оглавление

Введение                                                                                    стр.3

Глава 1.  Из истории развития рычага.                                   стр.4                                                          

Глава 2.  Виды рычагов, их использование

в современном мире.                                                                стр.6    

Глава 3.  Изобретение простого механизма.

Применение его на практике.                                                  стр.8    

Заключение                                                                                стр.9                                              

Список литературы                                                                   стр.10

Приложения                                                                               стр.11                          

Введение

Вступление.  Для исследовательской работы была выбрана тема «Рычаг – как это работает?».

Ежедневно мы выполняем какую-либо работу и ежедневно пользуемся различными простейшими механизмами, даже не задумываясь об этом. А что же такое работа? С точки зрения физики, работа – это сила, при помощи которой мы воздействуем на любой объект для     того, чтобы переместить его на какое-либо расстояние.  То есть в момент, когда мы что-то толкаем, тянем  или передвигаем на другое место, мы выполняем работу. Любой механизм помогает нам сделать свою работу быстрее, эффективнее с наименьшими усилиями, даже самое простое приспособление, которое мы только можем использовать. Рычаг – один из самых простых механизмов, помогающих нам перемещать или поднимать тяжелые предметы.

Актуальность. Привычное, не заменимое, и почти не заметное использование рычага в ежедневной жизни человека. Рычаг - многократное увеличение мышечной силы человека. Как это работает?  

     Проблема исследования – Рычаг это пережиток прошлого или могучий помощник человека? Как это работает?  

      Объект исследования – Простой механизм –рычаг.

       Предмет исследования – Орудия труда первобытного человека, Архимед: сражение при Сиракузах. Рычаги первого, второго и третьего рода. Катапульта – изобретение, которое не только разрушает, но и объединяет. Рычаг незаменимый помощник в жизни человека.

       Цель исследования – Изучить принцип работы рычага. Приобрести знания  о простых механизмах на примере рычага. Исследовать историю Архимеда. Найти опытным путем точку равновесия и обосновать золотое правило механики. Проследить и выявить использование рычагов в ежедневной жизнедеятельности человека. Изобрести простой механизм, найти практическое применение своему изобретению. Донести результаты исследования  до аудитории.       

      Задачи исследования:

1. Изучить механизм (правила) работы рычага.

2. Проследить историю использования рычага на протяжении человеческой эволюции.

3. Изучить историю применения машин Архимеда при сиракузском сражении.

4.Выяснить актуальность использования современными людьми рычагов в быту и на работе.

       Гипотеза – Простейший механизм  рычаг уменьшает работу.

       Методы исследования:

1. Изучение специальной литературы.

2. Опрос родственников и одноклассников.

3. Проведение опыта на равновесие.

4.Используя накопившийся исторический опыт, изобрести механизм с  рычагом и применить его на практике.

4. Обобщение и систематизация изученного материала  и результатов проведенного опыта по данной теме.    

5. Создание презентации.

Глава 1. Из истории развития рычага

1. Первобытный рычаг.

Вначале я решил обратиться к истории развития простых механизмов. В ходе изучения литературы выяснил, что  еще первобытный предок человека и представитель рода- «Человек разумный» - изготавливал и использовал различные деревянные и каменные орудия труда и охоты.  Мозг  первобытного человека позволял сознательно подбирать подходящие камни и палки, которыми было удобно разбить орех или нанести эффективный удар по противнику, или раскопать корень или клубень в земле. Постепенно первобытный человек начинает придавать орудиям труда нужную форму.  Кроме того у человека возникла необходимость поднимать тяжелые предметы: валуны, бревна и другие. И наш предок смог разрешить эту проблему при помощи нехитрых приспособлений, которые значительно облегчили его жизнь и стали помощниками в  строительном деле. Одни из наиболее известных примеров  древнейших построек – каменные статуи высотой около 20 метров на побережье острова Пасхи, каменные столбы Стоунхенджа в Англии, Великие египетские пирамиды. При взгляде на пирамиды Древнего Египта в голову приходит вопрос, - «Как же могли их построить?»  Ни подъемных кранов, ни мощных самосвалов тогда, разумеется, не было. Однако только мускульной силы людей, конечно не хватило для возведения этих огромнейших сооружений. Значит, человек как-то умудрился многократно увеличить свои усилия. Известно, что древним египетским механикам  были знакомы такие приспособления, как рычаг и клин.

2. Учение о рычаге. Архимед.

Впервые учение о рычаге было разработано древнегреческим ученым Архимедом. Он был  математик, физик и инженер. Сделал множество открытий в геометрии. Заложил основы механики, гидростатики, был автором ряда важных изобретений. Жил он в г. Сиракузы за двести лет до нашей эры. Легенды, в которых, вероятно, кроется большая доля истины, повествуют о замечательных машинах, которые были придуманы им на основе рычага.

Одна из легенд, рассказывает, что построенный в подарок египетскому царю Птолемею тяжёлый многопалубный корабль «Сиракузия» никак не удавалось спустить на воду. Архимед соорудил систему блоков с рычагами, с помощью которой он смог проделать эту работу одним движением руки. По легенде, Архимед заявил при этом: «Будь в моём распоряжении другая Земля, на которую можно было бы встать, я сдвинул бы с места нашу». В другом варианте это звучит так: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир». 

Инженерный гений Архимеда с особой силой проявился во время осады  города Сиракуз римлянами в 212 году до н. э. В этот момент Архимеду было уже 75 лет. Подробное описание осады Сиракуз римским полководцем Марцеллом и участия Архимеда в обороне содержится в исторических сочинениях Плутарха.

Построенные Архимедом мощные метательные машины забрасывали римские войска тяжёлыми камнями. Думая, что они будут в безопасности у самых стен города, римляне кинулись туда, но в это время лёгкие метательные машины близкого действия забросали их градом ядер. Мощные краны захватывали железными крюками корабли, приподнимали их кверху, а затем бросали вниз, так что корабли переворачивались и тонули. Коготь Архимеда часто называют супероружием древнего мира. Он представлял из себя огромный кран с цепкими крюками на конце, которые автоматически захватывали крупные тела, тело поднималось вверх до нужной высоты и освобождалось. Работа орудия заключалась в поднятии вражеских кораблей с земли на максимальную высоту, откуда он неминуемо падал после раскрытия крюков. Другой принцип применения когтя — сбрасывание с высоты огромных брёвен на вражеские корабли и войска.

 В 2005 году были проведены эксперименты с целью проверить правдивость описания этого «сверхоружия древности»; построенная конструкция показала свою полную работоспособность.

Для того, чтобы выяснить знают ли мои одноклассники об Архимеде, и об орудиях труда, которыми пользовались первобытные люди было решено провести опрос среди 19 учащихся нашего класса. Опрос проводился посредством анкетирования. Хочется  отметить, что среди большого множества названных орудий труда первобытного человека были отмечены такие как камень, ветка, палка, дубинка, самодельная кувалда- 11 ответов. Шесть человек ответили, что не знают какими орудиями труда пользовались древние люди. На вопрос: «Кто такой Архимед?», - семь человек написали  древний ученый, одиннадцать моих одноклассников на момент опроса  об Архимеде не знали ничего.

Глава 2. Виды рычагов, их использование   в современном мире.

1. Рычаг- как это работает?

Так, что же такое рычаг и как он работает? Для этого на примере детских качелей дадим определение рычагу.

Качели – это доска с двумя сиденьями, укреплённая на опоре. С точки зрения физики такие качели представляют собой частный случай рычага. Рычаг – простейшее механическое устройство, состоящее  из перекладины, вращающейся вокруг точки опоры. Концы перекладины по сторонам от точки опоры называются плечами рычага. У детских качелей они одинаковой длины. Качающиеся на концах качели дети являются одновременно грузом и (или) усилием. Груз - это тот предмет, который нам надо поднять. Усилие - это сила, которую необходимо приложить, чтобы переместить или, как в данном случае поднять груз.

С этим устройством связано важное физическое понятие  - момент силы, который еще называется законом равновесия рычага.  

Для того, чтобы установить точку равновесия  между плечами рычага, в нашем классе был проведен простой опыт.  Девятнадцати одноклассникам-испытателям  было предложено воспользоваться линейкой, которую они положили на край стола и медленно начали выдвигать. При этом было предложено зафиксировать точку  положения, когда линейка еще не упала на пол, но уже не лежала на столе, то есть находилась в равновесии. Результат у каждого получился свой, но что закономерно, длины сторон от точки равновесия до противоположных концов линейки оказались равными, а следовательно уравновешенными. Затем на один конец линейки был положен груз,  и повторно проведен аналогичный опыт. Теперь расстояния, а их еще называют «плечами» оказались разными. То есть наш опытный прибор пришел в равновесие при разных не равных друг другу грузах. Это наглядно в жизни мы наблюдаем на качелях. Если на один их край садиться кто-нибудь полегче, то более тяжелый человек для равновесия должен подвинуться от своего края к середине качелей-рычага. Этот нехитрый опыт  подтверждает  закон равновесия рычага, установленный Архимедом, а по другому называемый «золотым» правилом механики. Звучит закон так: «Сколько выигрываем в весе, столько теряем в расстоянии».

Из опроса 19-ти респондентов, выяснилось, что любят качаться на качелях 17 человек, это составляет 89,5% опрошенных.

На вопрос «Что такое рычаг?» три человека из 19-ти ответили, что это механизм.

2. Виды рычагов.

В зависимости от расположения груза, точки опоры, и места расположения силы различают следующие виды рычагов: рычаги первого, второго и третьего рода.

У рычагов первого рода точка опоры располагается между точкой приложения силы и грузом. Самые наглядные примеры таких рычагов – коромысло, детские качели, ножницы.

У рычагов второго рода груз находится между точкой опоры и точкой приложения силы. Приспособление для колки орехов, выдавливатель чеснока, огородная тачка – примеры таких рычагов.

У рычагов третьего рода точка приложения силы находится между точкой опоры и нагрузкой.

3. Использование рычагов в быту и на работе.

Используемый с глубокой древности, рычаг повсеместно применяется и в наши дни как на производстве, например в подъемных кранах, так и в быту: ножницы, весы и другие.

В процессе исследования, были опрошены мои родители. Им в соревновательной форме было предложено в течение трех минут записать те приспособления, инструменты и механизмы которыми они пользуются в жизни, в основе  работы которых действует правило рычага. В процессе соревновательного азарта, я тоже подключился к ним. Результат  опроса  был разбит по трем видам рычагов и внесен в таблицу, которая представлена в  приложении.

Интересно, что простейшие механизмы можно рассматривать как наши дополнительные мышцы. Ведь они существенно повышают эффективность работы и дают выигрыш в силе. То есть преимущество механической конструкции заключается в том, что даже в случае приложения минимальной силы. Например, только нашей мышечной силы, мы получаем очень хороший результат. Довольно наглядный пример: несколько несложных движений – и при помощи домкрата можно приподнять машину, чтобы заменить колесо.  

Удивительно еще и то что, сколько ни придумывали люди различных механизмов-усилителей, в основу их устройства всегда заложены лишь два типа: рычаг и наклонная плоскость. Оказывается все остальное можно получить комбинируя эти два механизма.

В процессе исследования мной была произведена работа при помощи рычага. Передо мной стояла задача перенести из поленницы  до сарая дрова в объеме одной грузовой машины.   Для этого была использована тачка - рычаг второго рода. На тачке я мог перевозить намного большее количество дров по сравнению с тем, что я мог перенести на руках. В результате дрова переносились с наименьшей нагрузкой на мышцы. На выполнение работы было затрачено меньшее количество времени. При этом объем выполненной работы остался прежним - одна грузовая машина. Из этого мной был сделан вывод: «Рычаг значительно облегчает работу, но не уменьшает ее объема».

Кроме того моим одноклассникам было предложено назвать простые механизмы помогающие нам в работе. Семнадцать человек назвали более 20-ти наименований  простых механизмов, инструментов, оборудования и машин. Самый популярный ответ отвертка названа в анкетах 7раз, молоток 2 раза. О незнании простых механизмов ответили 2 респондента.

Глава 3. Изобретение простого механизма. Применение его на практике.

1. Изобретательская мысль.

Прочитав соответствующую литературу и изучив принцип работы рычага, я стал конструировать и чертить различные механизмы с принципом рычага. В результате был изобретен механизм  машины для отчистки снежных завалов с высотных зданий. Конструкция данной машины состоит из трех базовых частей: емкость для сборки снега; башенная шахта для спуска снега с высоты; катапульта для загрузки снега в грузовые машины, либо удаления его на нужное расстояние.

Следующим этапом работы стало разработка и создание макета катапульты для загрузки снега. Кроме того, макет катапульты был испытан на практике. Испытателями катапульты выступили мои одноклассники всего 19 человек. Ими были произведены  по три выброса-выстрела условного снежка в цель, расположенную на определенном расстоянии. По результатам испытания, 12 выброшенных снежков попали в цель. Это составляет 21 % , от общего числа выстрелов. Низкий процент попадания указывает на необходимость усовершенствования катапульты, например путем  конструирования и добавления  механизма регулирования расстояния выгрузки снега. Для этого необходимо изучить другие разделы механики и физики, что может послужить темой для дальнейшей исследовательской работы.

2. Практическое применение.

В процессе испытания катапульты ей было придумано практическое прикладное применение в виде игровой формы. Цель игры попадание в мишень.  Она развивает у игрока меткость и сноровку.

Во-первых,  в такую игру можно играть в школьных коридорах во время  перемен.

Во вторых при некотором многократном увеличении размеров катапульты, в зимнее время ее можно установить  в школьном  дворе или на территории стадиона, для проведения состязаний на дальность полета снежка и (или) попадания его в цель. Такая игра может стать особенной зимней забавой нашей школы.

Заключение

  На основании выше изложенного можно сделать вывод, что поставленные в начале  исследовательской работы цели были выполнены.   

В ходе проведённого исследования было выявлено, что рычаг является неизменным помощником человека на протяжении исторического развития прогресса.

    Кроме того, проведенные исследования  опровергли  выдвинутую в начале работы гипотезу, о том, что простейший механизм  рычаг уменьшает работу. В ходе исследования был сделан вывод: рычаг значительно облегчает выполнение  работы. Благодаря этому механизму у нас есть возможность не только меньше тратить мышечной энергии на выполнение какой либо работы, но и делать ее с гораздо большими скоростью и эффективностью.

В процессе исследования я приобрел изобретательский опыт, что явилось одним  из самых интересных моментов моей работы.

Думаю, данное исследование может быть полезно и интересно учащимся  и учителям, которые увлекаются изучением окружающего мира и законов физики, а также всем, кто интересуется механикой.

Список литературы

1. Л.Д. Вайктене «Физика». – Москва: Издательство АСТ, 2017. – 256с. – (Полный курс занимательных наук).
2. Я.И. Перелман «Физика на каждом шагу» - М.: РОСМЭН, 2016. – 216 с.:ил.
3. И.Е. Гусев «Физика». - М.: Издательство АСТ, 2016 год.160 с.  ил.
4. А.Н. Евсеевичева  «Как это работает». – М.; ОЛМА Медиа Групп, 2014 – 63(1) с.ил.
5. Пер. с англ. И.В. Кудишина Изобретения изменившие мир. – М.: ЗАО «РОСМЭН –ПРЕСС», 2008. – 96с.
6. Детская энциклопедия/Я познаю мир. Физика. Авт.-сост.Ал. А. Леонович, Ар.А. Леонович, А.В. Кардашук.– М.:ООО «Издательство АСТ», 2003. – 477,(3) с., ил.
7. Малая советская энциклопедия третье изданиеТом 8. – М  ГНИ «БСЭ» 1959 год 1308 с. ил.
8. Э. Брохов «Энциклопедия афоризмов: Россыпи мыслей» - М.: ООО «Издательство АСТ», 2001. – 716, (4) с.

Интернет сайты

https://ru.wikipedia.org/