Vai jūs zināt, kas ir bloks? Šis ir tāds apaļš aparāts ar āķi, ar kura palīdzību būvlaukumos paceļ kravas augstumā.

Izskatās pēc sviras? Diez vai. Tomēr bloks ir arī vienkāršs mehānisms. Turklāt mēs varam runāt par sviras līdzsvara likuma piemērojamību blokam. Kā tas ir iespējams? Izdomāsim.

Līdzsvara likuma piemērošana

Bloks ir ierīce, kas sastāv no riteņa ar rievu, caur kuru tiek izvilkta trose, virve vai ķēde, kā arī turētāja ar āķi, kas piestiprināts pie riteņa ass. Bloks var būt fiksēts vai kustīgs. Fiksētajam blokam ir fiksēta ass, un tas nepārvietojas, kad krava tiek pacelta vai nolaista. Nekustīgais bloks palīdz mainīt spēka virzienu. Pārmetuši virvi pāri šādam blokam, kas piekārta augšā, varam pacelt kravu uz augšu, paši atrodoties apakšā. Tomēr fiksēta bloka izmantošana nedod mums spēka pieaugumu. Mēs varam iedomāties bloku kā sviru, kas rotē ap fiksētu balstu - bloka asi. Tad bloka rādiuss būs vienāds ar pleciem, kas pielikti abās spēku pusēs - mūsu virves vilces spēks ar slodzi vienā pusē un slodzes smagums otrā pusē. Pleci būs līdzvērtīgi, attiecīgi spēka pieauguma nav.

Ar kustīgo bloku situācija ir atšķirīga. Kustīgais bloks pārvietojas kopā ar kravu, it kā tas atrodas uz virves. Šajā gadījumā atbalsta punkts katrā laika momentā būs bloka saskares punktā ar virvi vienā pusē, slodze tiks piemērota bloka centram, kur tas ir piestiprināts pie ass, un Vilces spēks tiks pielikts saskares punktā ar virvi bloka otrā pusē. Tas ir, ķermeņa svara plecs būs bloka rādiuss, un mūsu vilces spēka plecs būs diametrs. Diametrs, kā jūs zināt, ir divreiz lielāks par rādiusu, attiecīgi roku garums atšķiras ar koeficientu divi, un spēka pieaugums, kas iegūts, izmantojot kustīgo bloku, ir divi. Praksē tiek izmantota fiksēta bloka kombinācija ar kustīgu bloku. Augšpusē nostiprināts nekustīgs bloks nedod spēka pieaugumu, bet palīdz pacelt kravu, stāvot zemāk. Un kustīgais bloks, pārvietojoties kopā ar slodzi, divkāršo pielikto spēku, palīdzot pacelt lielas kravas augstumā.

Mehānikas zelta likums

Rodas jautājums: vai izmantotās ierīces dod labumu darbā? Darbs ir nobrauktā attāluma reizinājums ar pielikto spēku. Apsveriet sviru ar rokām, kuru rokas garums atšķiras ar koeficientu divi. Šī svira dos mums divreiz lielāku spēku, tomēr divreiz lielāka svira ceļos divreiz tālāk. Tas ir, neskatoties uz spēka pieaugumu, paveiktais darbs būs tāds pats. Tāda ir darba vienlīdzība, izmantojot vienkāršus mehānismus: cik reizes mēs iegūstam spēku, tik daudz mēs zaudējam attālumā. Šo noteikumu sauc par mehānikas zelta likumu., un tas attiecas uz absolūti visiem vienkāršajiem mehānismiem. Tāpēc vienkārši mehānismi atvieglo cilvēka darbu, bet nesamazina viņa paveikto. Tie vienkārši palīdz pārvērst viena veida piepūli citā, ērtāk konkrētā situācijā.

Kopš seniem laikiem cilvēki sava darba atvieglošanai izmanto dažādas palīgierīces. Cik bieži, kad nepieciešams pārvietot ļoti smagu priekšmetu, mēs par palīgiem ņemam nūju vai stabu. Šis ir vienkārša mehānisma – sviras – piemērs.

Vienkāršu mehānismu pielietojums

Ir daudz veidu vienkāršu mehānismu. Šī ir svira, bloks, ķīlis un daudzi citi. Fizikā vienkāršus mehānismus sauc par ierīcēm, kas kalpo spēku pārveidošanai. Vienkāršs mehānisms ir arī slīpa plakne, kas palīdz ieripināt vai pacelt smagus priekšmetus. Vienkāršu mehānismu izmantošana ir ļoti izplatīta gan ražošanā, gan mājās. Visbiežāk tiek izmantoti vienkārši mehānismi, lai iegūtu spēku, tas ir, lai vairākas reizes palielinātu spēku, kas iedarbojas uz ķermeni.

Svira fizikā ir vienkāršs mehānisms

Viens no vienkāršākajiem un izplatītākajiem mehānismiem, ko fizikā apgūst septītajā klasē, ir svira. Fizikā svira ir stingrs korpuss, kas var griezties ap fiksētu balstu.

Ir divu veidu sviras. Pirmā veida svirai atbalsta punkts atrodas starp pielietoto spēku darbības līnijām. Pie otrā veida sviras atbalsta punkts atrodas vienā to pusē. Tas ir, ja mēs cenšamies pārvietot smagu priekšmetu ar lauzni, tad pirmā veida svira ir situācija, kad mēs noliekam stieni zem lauzņa, nospiežot uz leju lauzņa brīvo galu. Šajā gadījumā stienis būs fiksētais balsts, un pieliktie spēki atrodas abās tā pusēs. Un otrā veida svira ir tad, kad mēs, paslīdējuši lauzņa malu zem svara, velkam lauzni uz augšu, tādējādi cenšoties apgriezt priekšmetu. Šeit atbalsta punkts atrodas vietā, kur lauznis balstās uz zemes, un pieliktie spēki atrodas vienā atbalsta punkta pusē.

Spēku līdzsvara likums uz sviras

Izmantojot sviru, mēs varam iegūt spēku un pacelt smagu kravu ar kailām rokām. Attālumu no atbalsta punkta līdz spēka pielikšanas punktam sauc par spēka plecu. Turklāt, Jūs varat aprēķināt spēku līdzsvaru uz sviras, izmantojot šādu formulu:

F1/ F2 = l2 / l1,

kur F1 un F2 ir spēki, kas iedarbojas uz sviru,
un l2 un l1 ir šo spēku pleci.

Šis ir sviras līdzsvara likums, kurā teikts: svira atrodas līdzsvarā, kad uz to iedarbojas spēki ir apgriezti proporcionāli šo spēku pleciem. Šo likumu trešajā gadsimtā pirms mūsu ēras izveidoja Arhimēds. No tā izriet, ka mazāks spēks var līdzsvarot lielāku. Lai to izdarītu, ir nepieciešams, lai mazākā spēka plecs būtu lielāks par lielāka spēka plecu. Un ar sviras palīdzību iegūto spēka pieaugumu nosaka pielikto spēku plecu attiecība.

Kopš neatminamiem laikiem cilvēce ir izmantojusi dažādus mehānismus, kas paredzēti fiziskā darba atvieglošanai. Viens no tiem ir svira. Ko viņš pārstāv...

Sviras līdzsvara stāvoklis. Momenta noteikums. vienkārši mehānismi. Izaicinājumi un risinājumi

Autors Masterweb

Kopš neatminamiem laikiem cilvēce ir izmantojusi dažādus mehānismus, kas paredzēti fiziskā darba atvieglošanai. Viens no tiem ir svira. Kas tas ir, kāda ir tā izmantošanas ideja un kāds ir sviras līdzsvara stāvoklis, šis raksts ir veltīts visu šo jautājumu izskatīšanai.

Kad cilvēce sāka piemērot sviras principu?

Precīzi atbildēt uz šo jautājumu ir grūti, jo vienkāršus mehānismus zināja jau senie ēģiptieši un Mezopotāmijas iedzīvotāji jau 3000. gadā pirms mūsu ēras.

Viens no šiem mehānismiem ir tā sauktais sviras celtnis. Tas bija garš stabs, kas atradās uz balsta. Pēdējais tika uzstādīts tuvāk vienam staba galam. Galam, kas atradās tālāk no atskaites punkta, tika piesiets trauks, uz otra tika uzlikts kaut kāds pretsvars, piemēram, akmens. Sistēma tika izveidota tā, lai līdz pusei piepildīts trauks novestu uz staba horizontālu stāvokli.

Sviras celtnis kalpoja, lai paceltu ūdeni no akas, upes vai citas ieplakas līdz līmenim, kurā atradās cilvēks. Pieliekot kuģim nelielu spēku, cilvēks to nolaida līdz ūdens avotam, trauks tika piepildīts ar šķidrumu, un tad, pieliekot nelielu spēku ar pretsvaru uz otru staba galu, varēja pacelt norādīto. kuģis.

Leģenda par Arhimēdu un kuģi

Ikviens zina seno grieķu filozofu no Sirakūzu pilsētas Arhimēdu, kurš savos rakstos ne tikai aprakstīja vienkāršu mehānismu darbības principu (svira, slīps dēlis), bet arī sniedza atbilstošās matemātiskās formulas. Līdz šim viņa frāze joprojām ir slavena:

Dod man pamatu, un es izkustināšu šo pasauli!

Kā zināms, neviens viņam šādu atbalstu nesniedza, un Zeme palika savā vietā. Tomēr tas, ko Arhimēds patiešām spēja pārvietot, bija kuģis. Viena no Plutarha leģendām (darbs "Paralēlās dzīves") saka sekojošo: Arhimēds vēstulē savam draugam Sirakūzu karalim Hieronam teica, ka noteiktos apstākļos viņš var viens pats pārvietot patvaļīgi lielu svaru. Hiero bija pārsteigts par šo filozofa izteikumu un lūdza viņu demonstrēt, par ko viņš runā. Arhimēds piekrita. Kādu dienu Hierona kuģis, kas atradās dokā, tika piekrauts ar cilvēkiem un mucas, kas piepildītas ar ūdeni. Filozofs, iekārtojies zināmā attālumā no kuģa, varēja to pacelt virs ūdens, velkot aiz virvēm, pieliekot nelielu piepūli.

Sviras sastāvdaļas

Neskatoties uz to, ka mēs runājam par diezgan vienkāršu mehānismu, tam joprojām ir noteikta ierīce. Fiziski tas sastāv no divām galvenajām daļām: staba vai sijas un atbalsta. Apsverot uzdevumus, stabs tiek uzskatīts par objektu, kas sastāv no diviem (vai viena) pleca. Plecs - tā ir staba daļa, kas atrodas attiecībā pret balstu vienā pusē. Svarīgu lomu aplūkojamā mehānisma darbības principā spēlē rokas garums.

Apsverot sviru darbā, ir divi papildu elementi: pielietotais spēks un spēks, kas tai pretojas. Pirmais cenšas iekustināt objektu, kas rada pretspēku.

Sviras līdzsvara nosacījums fizikā

Iepazīstoties ar šī mehānisma ierīci, mēs sniegsim matemātisko formulu, pēc kuras mēs varam pateikt, kura no sviras svirām un kādā virzienā pārvietosies vai, gluži pretēji, visa ierīce būs miera stāvoklī. Formula izskatās šādi:

kur F1 un F2 ir attiecīgi darbības un reakcijas spēki, l1 un l2 ir to roku garumi, kuriem šie spēki tiek pielikti.

Šī izteiksme ļauj izpētīt līdzsvara apstākļus svirai ar rotācijas asi. Tātad, ja roka l1 ir lielāka par l2, tad, lai līdzsvarotu spēku F2, ir nepieciešama mazāka F1 vērtība. Un otrādi, ja l2 > l1, tad, lai neitralizētu spēku F2, būs jāpieliek liels F1. Šos secinājumus var iegūt, pārrakstot iepriekš minēto izteiksmi šādā formā:

Kā redzams, līdzsvara veidošanās procesā iesaistītie spēki ir apgriezti saistīti ar sviras plecu garumu.

Kādi ir piesaistīto līdzekļu ieguvumi un zaudējumi?

No iepriekšminētajām formulām izriet svarīgs secinājums: ar garas rokas palīdzību un nelielu piepūli var pārvietot objektus ar milzīgu masu. Tā ir taisnība, un daudzi var domāt, ka sviras izmantošana palīdz gūt labumu darbā. Bet tā nav. Darbs ir enerģijas daudzums, ko nevar izveidot no nekā.

Analizēsim vienkāršas sviras darbību ar divām svirām l1 un l2. Rokas l2 galā novietojiet atsvaru P (F2 = P). Otra pleca galā cilvēks pieliek spēku F1 un paceļ šo slodzi augstumā h. Tagad mēs aprēķinām katra spēka darbu un pielīdzinām rezultātus. Mēs iegūstam:

Spēks F2 darbojās pa vertikālo trajektoriju ar garumu h, savukārt F1 darbojās arī pa vertikāli, bet jau tika pielikts otrai rokai, kuras gals pārvietojās par nezināmu daudzumu x. Lai to atrastu, pēdējā izteiksmē ir jāaizstāj formula savienojumam starp spēkiem un sviras pleciem. Izsakot x, mums ir:

x = F2 * h / F1 = l1 * h / l2.

Šī vienādība parāda, ka, ja l1 > l2, tad F2 > F1 un x > h, tas ir, pieliekot nelielu spēku, jūs varat pacelt kravu ar lielu svaru, bet jums būs jāpārvieto atbilstošā sviras roka (l1) lielāks attālums. Un otrādi, ja l1

Tādējādi svira nedod ieguvumu darbā, tā tikai ļauj to pārdalīt vai nu par labu mazākam pieliktajam spēkam, vai par labu objekta kustības lielākai amplitūdai. Apspriežamajā fizikas tēmā darbojas vispārējs filozofisks princips: katrs ieguvums tiek kompensēts ar kādu zaudējumu.

Sviru veidi

Atkarībā no spēka pielikšanas punktiem un atbalsta stāvokļa izšķir šādus šī mehānisma veidus:

• Pirmais veids: atbalsta punkts atrodas starp diviem spēkiem F1 un F2, tāpēc roku garums būs atkarīgs no tā, kādas priekšrocības dos šāda svira. Piemērs ir parastās šķēres.
• Otrais veids. Šeit spēks, pret kuru tiek veikts darbs, atrodas starp balstu un pielikto spēku. Šāda veida konstrukcija nozīmē, ka tā vienmēr palielinās spēku un samazinās gaitu un ātrumu. Piemērs ir dārza ķerra.
• Trešais veids. Pēdējā iespēja, kas vēl jāīsteno šajā vienkāršajā konstrukcijā, ir pieliktā spēka pozīcija starp balstu un reakcijas spēku. Šajā gadījumā ceļā ir ieguvums, bet spēkā zaudējums. Piemērs ir pincetes.

Spēka momenta jēdziens

Jebkuru problēmu izskatīšana mehānikā, kas ietver asis vai griešanās punkta jēdzienus, tiek veikta, izmantojot spēku momentu likumu. Tā kā sviras balsts ir arī ass (punkts), ap kuru griežas sistēma, tad šī mehānisma līdzsvara novērtēšanai tiek izmantots arī spēka moments. To fizikā saprot kā lielumu, kas vienāds ar pleca un darbības spēka reizinājumu, tas ir:

Ņemot vērā šo definīciju, sviras līdzsvara nosacījumu var pārrakstīt šādi:

M1 = M2, kur M1 = l1 * F1 un M2 = l2 * F2.

Moments M ir aditīvs, kas nozīmē, ka kopējo spēka momentu aplūkojamai sistēmai var iegūt, vienkārši saskaitot visus momentus Mi, kas uz to iedarbojas. Taču jāņem vērā to zīme (spēks, kas liek sistēmai griezties pretēji pulksteņrādītāja virzienam, rada pozitīvu momentu +M, un otrādi). Ņemot to vērā, momenta noteikums līdzsvara svirai izskatītos šādi:

Svira zaudē līdzsvaru, kad M1 ≠ M2.

Kur tiek izmantots sviras princips?

Daži šī vienkāršā un senatnē labi zināmā mehānisma izmantošanas piemēri jau ir sniegti iepriekš. Šeit ir tikai daži papildu piemēri:

• Knaibles: 1. veida svira, kas ļauj radīt milzīgus spēkus, pateicoties mazajam plecu garumam l2, kur atrodas instrumenta zobi.
• Kannu un pudeļu nazis: šī ir 2. tipa svira, tāpēc tā vienmēr sniegs jums papildu pūles.
• Makšķere: 3. klases svira, kas ļauj pārvietot stieņa galu ar pludiņu, gremdētāju un āķi uz lielām amplitūdām. Tajā pašā laikā spēka zudums ir jūtams, ja zvejniekam ir grūti izvilkt zivi no ūdens, pat ja tās masa nepārsniedz 0,5 kg.

Cilvēks pats ar savām locītavām, muskuļiem, kauliem un cīpslām ir lielisks piemērs sistēmai ar daudzām dažādām svirām.

Problēmas risinājums

Rakstā aplūkotais sviras līdzsvara stāvoklis tiek izmantots vienkāršas problēmas risināšanai. Ir jāaprēķina aptuvenais sviras sviras garums, pieliekot spēku, kura galā Arhimēds spēja pacelt kuģi, kā aprakstījis Plutarhs.

Lai to atrisinātu, mēs ieviešam šādus pieņēmumus: ņemam vērā grieķu trirēmu 90 tonnas ar pārvietojumu un pieņemam, ka sviras balsts atradās 1 metra attālumā no tā masas centra. Tā kā Arhimēds, saskaņā ar leģendu, varēja viegli pacelt kuģi, mēs pieņemsim, ka šim nolūkam viņš pielika spēku, kas vienāds ar pusi viņa paša svara, tas ir, apmēram 400 N (masai 82 kg). Tad, piemērojot sviras līdzsvara nosacījumu, mēs iegūstam:

F1 * l1 = F2 * l2 => l1 = F2 * l2 / F1 = m * g * l2 / F1 = 90000 * 9,81 * 1/400 ≈ 2,2 km.

Pat palielinot pielikto spēku līdz paša Arhimēda svara vērtībai un vēl divas reizes tuvinot balstu, iegūstam aptuveni 500 metru rokas garuma vērtību, kas arī ir liela vērtība. Visticamāk, Plutarha leģenda ir pārspīlēts, lai demonstrētu sviras efektivitāti, un Arhimēds faktiski nav pacēlis kuģi virs ūdens.

Kievyan street, 16 0016 Armēnija, Erevāna +374 11 233 255

Svira ir stingrs korpuss, kas var griezties ap fiksētu punktu. Fiksēto punktu sauc atbalsta punkts. Tiek saukts attālums no atbalsta punkta līdz spēka darbības līnijai plecušis spēks.

Sviras līdzsvara stāvoklis: svira ir līdzsvarā, ja uz sviru tiek pielietoti spēki F1 Un F2 mēdz to pagriezt pretējos virzienos, un spēku moduļi ir apgriezti proporcionāli šo spēku pleciem: F1/F2 = l 2 / l 1Šo noteikumu noteica Arhimēds. Saskaņā ar leģendu viņš iesaucās: Dod man balstu, un es pacelšu zemi .

Attiecībā uz sviru, mehānikas "zelta likums". (ja var neņemt vērā berzi un sviras masu).

Pieliekot zināmu spēku garai svirai, ar otru sviras galu iespējams pacelt kravu, kuras svars krietni pārsniedz šo spēku. Tas nozīmē, ka, izmantojot kredītplecu, jūs varat iegūt spēku. Izmantojot sviras efektu, spēka pieaugums noteikti ir saistīts ar tādiem pašiem zaudējumiem.

Visu veidu sviras:

Spēka mirklis. momenta noteikums

Spēka moduļa un tā pleca reizinājumu sauc spēka moments.M = Fl , kur M ir spēka moments, F ir spēks, l ir spēka plecs.

momenta noteikums: Svira ir līdzsvarā, ja to spēku momentu summa, kas cenšas pagriezt sviru vienā virzienā, ir vienāda ar to spēku momentu summu, kas cenšas to pagriezt pretējā virzienā. Šis noteikums attiecas uz jebkuru stingru korpusu, kas var griezties ap fiksētu asi.

Spēka moments raksturo spēka rotējošo darbību. Šī darbība ir atkarīga gan no spēka, gan no viņas pleca. Tāpēc, piemēram, vēloties atvērt durvis, viņi cenšas pielikt spēku pēc iespējas tālāk no rotācijas ass. Ar neliela spēka palīdzību tiek izveidots zīmīgs brīdis, un durvis atveras. Ir daudz grūtāk to atvērt, izdarot spiedienu pie eņģēm. Tā paša iemesla dēļ uzgriezni ir vieglāk atskrūvēt ar garāku uzgriežņu atslēgu, skrūvi vieglāk noņemt ar skrūvgriezi ar platāku rokturi utt.

Spēka momenta SI mērvienība ir ņūtonmetrs (1 N*m). Tas ir spēka moments 1 N, ar plecu 1 m.

Svira ir stingrs korpuss, kas var griezties ap fiksētu punktu.

Fiksēto punktu sauc par atbalsta punktu.

Labi zināms sviras piemērs ir šūpoles (25.1. att.).

Kad divi cilvēki šūpolēs līdzsvaro viens otru? Sāksim ar novērojumiem. Protams, esat ievērojuši, ka divi cilvēki uz šūpolēm līdzsvaro viens otru, ja viņiem ir aptuveni vienāds svars un tie atrodas aptuveni vienādā attālumā no atbalsta punkta (25.1. att., a).

Rīsi. 25.1. Šūpoles līdzsvara nosacījums: a - vienāda svara cilvēki līdzsvaro viens otru, kad viņi sēž vienādos attālumos no atbalsta punkta; b - dažāda svara cilvēki līdzsvaro viens otru, kad smagākais sēž tuvāk atbalsta punktam

Ja šie divi ir ļoti atšķirīgi pēc svara, tie līdzsvaro viens otru tikai ar nosacījumu, ka smagākais sēž daudz tuvāk atbalsta punktam (25.1. att., b).

Tagad pāriesim no novērojumiem pie eksperimentiem: eksperimentāli atradīsim nosacījumus sviras līdzsvaram.

Liekam pieredzi

Pieredze rāda, ka vienāda svara slodzes līdzsvaro sviru, ja tās ir piekārtas vienādā attālumā no atbalsta punkta (25.2. att., a).

Ja slodzēm ir dažādi svari, tad svira atrodas līdzsvarā, kad lielākā slodze ir tik reižu tuvāk atbalsta punktam, cik reizes tās svars ir lielāks par vieglās slodzes svaru (25.2. att., b, c).

Rīsi. 25.2. Eksperimenti sviras līdzsvara stāvokļa atrašanai

Sviras līdzsvara stāvoklis. Attālumu no atbalsta punkta līdz taisnajai līnijai, pa kuru darbojas spēks, sauc par šī spēka plecu. Ar F 1 un F 2 apzīmēsim spēkus, kas iedarbojas uz sviru no slodžu puses (skat. diagrammas 25.2. att. labajā pusē). Apzīmēsim šo spēku plecus attiecīgi kā l 1 un l 2 . Mūsu eksperimenti ir parādījuši, ka svira ir līdzsvarā, ja uz sviru pieliktajiem spēkiem F 1 un F 2 ir tendence to pagriezt pretējos virzienos, un spēku moduļi ir apgriezti proporcionāli šo spēku pleciem:

F 1 / F 2 \u003d l 2 / l 1.

Šo sviras līdzsvara nosacījumu eksperimentāli noteica Arhimēds 3. gadsimtā pirms mūsu ēras. e.

Sviras līdzsvara stāvokli var pētīt pēc pieredzes laboratorijas darbā Nr.11.