Рычаги и простейшие механизмы


Чтобы облегчить труд коротышек, надо использовать один из простых механизмов- блок, т.к. он может регулировать силу и значительно уменьшит затраты силы коротышек.

Рычаг- это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы.

Простейший механизм — устройства дающие выигрыш в силе. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейщих механизмов появились в глубокой древности.

Клин - позволяет увеличить давление за счет концентрации массы на малой площади. Используется в копье, лопате и пуле. Клин — простой механизм в виде призмы, рабочие поверхности которого сходятся под острым углом. Используется для раздвижения, разделения на части обрабатываемого предмета. Клин — одна из разновидностей механизма под названием «наклонная плоскость». При действии силы на основание призмы, возникают две составляющие, перпендикулярные рабочим поверхностям. Идеальный выигрыш в силе, даваемый клином, равен отношению его длины к толщине на тупом конце — расклинивающее действие клина даёт выигрыш в силе при малом угле и большой длине клина. Реальный выигрыш клина сильно зависит от силы трения, которая меняется по мере хода клина. Принцип клина используется в таких инструментах и орудиях, как топор, зубило, нож, гвоздь, игла.

Винт - используется в шурупах, для подъема воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях и отбойных молотках. Винт — простейший механизм. Резьба винта, в сущности, представляет собой другой простейший механизм — 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).

Рычаг - описан Архимедом. Используется для подъема тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (Шатун-кривошип - используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания). Рыча?г — простейшее механическое устройство, представляющее собой твёрдое тело (перекладину), вращающееся вокруг точки опоры, наподобие качелей. Стороны перекладины по бокам от точки опоры, называются «плечами» рычага. Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече). Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие. Первые исследования свойств рычага приписывают Архимеду, который, по легенде, осознав значение своего открытия, воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». Рычаг находится в равновесии, если разность моментов сил, приложенных к нему, равна нулю. Это означает, что F1a1 = F2a2. Различают рычаги 1 рода, в которых опора располагается между точками приложения сил, и рычаги 2 рода, в которых точки приложения сил располагаются по одну сторону от опоры.

Ворот - используется для подъема воды в колодцах и для ременной передачи. Дифференциальный ворот — простейший механизм. представляет собой два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг одной оси. В сущности является разновидностью рычага. Устройства использующие принцип ворота: ворот колодца с ручкой, отвёртка, велосипед. Система двух находящихся в зацеплении зубчатых колёс, сидящих на валах одинакового диаметра, в какой-то мере аналогична дифференциальному вороту.

Блок — простое механическое устройство, позволяющее регулировать силу. Представляет из себя колесо с жёлобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Желоб предназначен для каната, цепи, ремня и т. п. Ось блока помещается в обоймах, прикрепленных на балке или стене, такой блок называется неподвижным; если же к этим обоймам прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться, то такой блок называется подвижным. Неподвижный блок употребляется для подъема небольших грузов или для изменения направления силы. Подвижный блок имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом; отсюда, если веревки параллельны (то есть когда дуга, обхватываемая веревкой, равна полуокружности), то для подъема груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза. Фактически, любой блок представляет собой рычаг, в случае неподвижного блока - равноплечий, в случае подвижного - с соотношением плеч 1 к 2. Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: Во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Иными словами, совершаемая при перемещении груза на какое-либо расстояние без использования блока работа равна работе, затрачиваемой при перемещении груза на то же самое расстояние с применением блока при условии отсутствия трения. В реальном блоке всегда присутствуют некоторые потери. Также используется система, состоящая из комбинации нескольких подвижных и неподвижных блоков. Такая система называется полиспаст. Простейшая такая система изображена на рисунке и даёт выигрыш в силе в 2 раза. Система из двух неподвижных блоков, между которыми находится кольцевой ремень, называется ременной передачей

Колесо - используется в транспорте и в системе зубчатой передачи. Изобретено шумерами в III тыс. до н. э. Колесо существенно уменьшает затраты энергии на перемещение груза. При использовании колеса работа совершается против силы трения качения, которая обычно существенно меньше, чем сила трения скольжения. Покрышка - это отдельная от колеса деталь, дополнительная. Износ покрышек автомобилей является почти решённой проблемой. Современные покрышки проезжают свыше 100000км. Нерешённой проблемой является износ покрышек у колёс самолётов. При соприкосновении неподвижного колеса с бетонкой на скорости в несколько сотен километров в час износ покрышек - огромен.

Поршень - позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов. Применяется в огнестрельном оружии и паровой машине поршень — в тепловой машине — деталь, предназначенная для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом. Служит также для выполнения вспомогательных тактов по очистке и наполнению цилиндра. Как правило, оснащён поршневыми кольцами для улучшения герметичности системы цилиндр - поршень. В поршневых компрессорах для воздуха, фреона или другого газа его роль прямо противоположная - приводимый в движение кривошипно-шатунным механизмом, поршень сжимает газ, поступивший в камеру на этапе впуска газа. Две основные проблемы, решаемые при проектировании моторов: как избежать повышенного износа поршня, как избежать прогара поршня. Обе эти проблемы возникают вследствие желания конструкторов максимально облегчить поршень, поскольку это позволяет улучшить показатели моторов и компрессоров.


ГОУ СОШ 1413
Москва 2008