Простые механизмы
план-конспект урока по физике (7 класс) на тему

Технологическая карта урока физики

Простые механизмы — устройства, служащие для преобразования направления и величины (модуля) силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейших механизмов появились в глубокой древности.

Выделяют несколько простейших механизмов, из которых четыре являются разновидностью двух основных:

1. Наклонная плоскость — это плоская поверхность, установленная под углом к горизонтали.  Она позволяет поднимать груз вверх, прикладывая к нему усилие, заметно меньшее, чем сила тяжести, действующая на этот груз.

Примерами наклонных плоскостей служат пандусы и трапы. Пандусы и трапы широко применялись при строительстве ранних каменных сооружений, дорог и акведуков, при штурме военных укреплений.

Принцип наклонной плоскости можно видеть также в таких колющих и режущих инструментах, как стамеска, топор, плуг, клин, винт.

Мысленные и реальные эксперименты с наклонными плоскостями, которые на заре Нового времени делали Леонардо да Винчи, Симон Стевин, Галилео Галилей и другие физики, привели к познанию законов природы, связанных с силой тяжести, массой, инерцией.

Используя наклонную плоскость, мы выигрываем в силе, и ровно во столько же проигрываем в расстоянии!

Выигрыш в силе: . Наклонная плоскость не дает выигрыша в работе!

2. Клин — простой механизм в виде призмы, рабочие поверхности которого сходятся под острым углом. Используется для раздвижения, разделения на части обрабатываемого предмета. Клин является разновидностью наклонной плоскости.

Происхождение клина неизвестно, это отчасти объясняется тем, что клин известен уже более 9000 лет. Клинья могут быть использованы для того, чтобы поднимать тяжёлые объекты и отделять их от поверхности, на которой они лежат. Они могут также использоваться для раскалывания древесины вдоль волокон. Узкий и относительно длинный клин может применяться для точной подгонки просвета между предметами (обычно применяют плотники).

Клинья также могут быть использованы для удержания предметов, таких как части двигателя или другого механизма. Широко применяются и дверные клинья, которые блокируют дверь из-за трения между нижней частью двери и клином и между клином и поверхностью.

В Древнем Египте бронзовые клинья использовались в карьерах для откалывания каменных блоков, необходимых в строительстве. Также применялись деревянные клинья, которые разбухали после обливания водой. Некоторые индейские племена использовали клинья из оленьего рога для раскалывания древесины и изготовления каноэ, жилища и других предметов.

3. Винт (шнек) — простейший механизм, резьба которого представляет собой наклонную плоскость, многократно обёрнутую вокруг цилиндра.

Примеры простых устройств с винтовой резьбой — домкрат, болт с гайкой, тиски.

Идеальный выигрыш в силе равен отношению расстояния, проходимого точкой приложения усилия за один оборот винта (длины окружности), к расстоянию между двумя соседними витками резьбы (шаг резьбы).

Архимедов винт — механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы. Он был одним из нескольких изобретений и открытий, традиционно приписываемых Архимеду, жившему в III веке до н. э. Архимедов винт стал прообразом шнека. Винт вращается обычно с помощью ветряного колеса, либо вручную. В то время, как поворачивается нижний конец трубы, он собирает некоторый объём воды. Это количество воды будет скользить вверх по спиральной трубе во время вращения вала, пока наконец вода не выльется из вершины трубы, снабжая ирригационную систему.

4. Рычаг — простейший механизм, представляющий собой балку, вращающуюся вокруг точки опоры.  

        Рычаг используется для создания большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече.

Для любого рычага справедливо правило: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии.

Выигрыш в силе:

Выигрыш в силе в k раз ведет к проигрышу в расстоянии во столько же раз.

Рычаг не дает выигрыша в работе!

        Частными случаями рычага являются также два других простейших механизма: дифференциальный ворот и блок. Человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Такие инструменты, как мотыга или весло, применялись, чтобы уменьшить силу, которую необходимо было прикладывать человеку. В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия. Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф (колодец с «журавлём»), прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой.

5. Ворот — простейший механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате (тросе, верёвке). Является разновидностью рычага. Синоним простейшей лебёдки. В более широком смысле воротом называют рычаг, совершающий при работе полный оборот.

Устройства, использующие принцип ворота:

• ворот колодца с ручкой;
• отвёртка (разница диаметров жала и ручки);
• велосипед (педали, вращающие звёздочку);
• рулевое колесо автомобиля, штурвал судна и т. п. средства управления.

6. Блок — простое механическое устройство, позволяющее регулировать силу. Является разновидностью рычага. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси: жёлоб предназначен для каната, цепи, ремня и т. п.

        Виды блоков:

1. Неподвижный блок — ось блока в обоймах, закреплённых на балке или стене: меняет направление силы. Неподвижный блок является равноплечим рычагом.

При отсутствии трения для подъема нужна сила, равная весу груза.

2. Подвижный блок — ось блока в обоймах, к которым прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться: меняет величину силы. Подвижный блок – это рычаг с соотношением плеч 1:2. Если веревки параллельны, то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза.

3. Полиспаст — система из нескольких подвижных и неподвижных блоков (обычно попарно). Такая система изображена на рисунке и даёт выигрыш силы в 2 раза при любом направлении приложения усилия.