Prečo pákový efekt zvyšuje silu. Naklonená rovina. "Zlaté pravidlo mechaniky." II. Naprogramovaný prieskum o predchádzajúcom materiáli

Tieto dve vyučovacie hodiny boli vyučované podľa učebnice S.V. Gromová, N.A. Vlastivedná fyzika 7. ročník. M. Vzdelávanie 2000

Zvláštnosťou hodín je, že používajú technológiu naprogramovaného prieskumu pre triedy s počtom obyvateľov menej ako 15 ľudí. Technológia spočíva v ponuke niekoľkých možností odpovede na otázku. Vďaka tomu je možné súčasne opakovať predchádzajúcu látku, zvýrazniť hlavné body preberanej témy a sledovať osvojenie si látky všetkými žiakmi v triede. Ako ukazuje prax, prieskum celej triedy nezaberie viac ako 17 minút. Pre mladých učiteľov bude dôležitým bodom rýchly rozvoj zručností pri určovaní úrovne osvojovania vedomostí žiakmi. Následné testy a samostatná práca vždy potvrdzujú známky, ktoré študenti dostali počas naprogramovaného prieskumu.

Celý rozhovor prebieha ústne. Deti ukazujú odpovede na kartách alebo na prstoch, pri ktorých je potrebné, aby počet odpovedí nepresiahol päť. Výsledky prieskumu sa okamžite zobrazia na tabuli vo forme plusov, mínusov a núl (existuje možnosť odmietnuť odpoveď). Táto forma prieskumu umožňuje uvoľniť napätie pri prieskume, viesť ho nestranne, transparentne a zároveň psychicky pripraviť študenta na testy.

Naprogramované prieskumy majú aj mnohé nevýhody. Aby sme ich zredukovali na nič, je potrebné to uvážlivo striedať s inými formami kontroly vedomostí.

Lekcia 1. Bloky.

Účel lekcie: naučiť deti nájsť výhodu v sile, ktorú poskytuje blokový systém.

Vybavenie: bloky, závity, statívy, dynamometre.

Počas tried:

1. Organizačný moment

II. Nový materiál:

Učiteľ kladie problematickú otázku:

Kniha Daniela Defoea „Robinson Crusoe“ rozpráva príbeh muža, ktorý sa ocitne na pustom ostrove a dokáže prežiť v drsných podmienkach. Hovorí sa v nej, že jedného dňa sa Robinson Crusoe rozhodol postaviť loď, aby odplával z ostrova. Ale postavil loď ďaleko od vody. A čln bol veľmi ťažký na to, aby sa dal zdvihnúť. Predstavme si, ako by ste dopravili ťažký čln (povedzme s hmotnosťou 1 tony) k vode (na vzdialenosť 1 km).

Riešenia žiakov sú stručne napísané na tabuľu.

Zvyčajne navrhujú vykopať kanál a presunúť loď pomocou páky. Samotné dielo však hovorí, že Robinson Crusoe začal kopať kanál, no počítal s tým, že jeho dokončenie mu zaberie celý život. A páka, ak to vypočítate, bude taká hrubá, že nebudete mať dostatok sily na to, aby ste ju držali v rukách.

Je dobré, ak niekto navrhne vyrobiť navijak pomocou reťazového kladkostroja, blokov alebo navijaka. Nechajte tohto študenta, aby vám povedal, čo je tento mechanizmus a prečo je potrebný.

Po príbehu začnú študovať nový materiál. Ak nikto zo žiakov neponúkne riešenie, učiteľ ho povie sám.

Existujú dva typy blokov:

pozri obrázok 54 (strana 55)

Pozri obrázok 55 (strana 55)

Stacionárny blok neposkytuje nárast sily. Mení len smer pôsobenia sily. A pohyblivý blok poskytuje 2-násobné zvýšenie sily. Poďme sa na to pozrieť bližšie:

(Čítanie §22 odvodenie vzorca F=P/2;)

Na spojenie pôsobenia niekoľkých blokov sa používa zariadenie nazývané kladkový blok (z gréckeho poly - „veľa“ spao – „ťahám“).

Ak chcete zdvihnúť spodný blok, musíte vytiahnuť dve laná, to znamená, že stratíte vzdialenosť 2 krát, preto je prírastok sily tejto kladky 2.

Na zdvihnutie spodného bloku musíte odrezať 6 lán, preto je prírastok sily tejto kladky 6

III. Konsolidácia nového materiálu.

Prieskum školení:

1. Koľko lán sa na obrázku prerezáva?

1. jeden,
2. štyri,
3. Päť,
4. šesť,
5. Ďalšia odpoveď.

2. Chlapec dokáže zdvihnúť 20 kg. Ale potrebuje zdvihnúť 100. Koľko kociek potrebuje na výrobu reťazového kladkostroja?

1. štyri,
2. Päť,
3. Osem,
4. desať,
5. Ďalšia odpoveď.

3. Myslíte si, že je možné pomocou blokov získať nepárny počet prírastkov výkonu, napríklad 3 alebo 5-krát?

Odpoveď: Áno, to si vyžaduje, aby lano pripojilo záťaž k hornému bloku trikrát. Približné riešenie na obrázku:

III.1. Riešenie problému 71.

III.2. Riešenie problému Robinsona Crusoa.

Na pohyb lode stačilo zostaviť kladku alebo navijak (mechanizmus, ktorý budeme študovať v ďalšej lekcii).

Maďarskí obdivovatelia Daniela Defoea dokonca uskutočnili takýto experiment. Jedna osoba sa presťahovala betónová doska s podomácky vyrobeným kladkostrojom vyrezaným z dreva na 100 m.

III.3. Praktická práca:

Najprv zostavte stacionárny blok z blokov a závitov, potom pohyblivý blok a jednoduchý kladkový blok. Zmerajte prírastok sily vo všetkých troch prípadoch pomocou dynamometra.

IV. Záverečná časť

Zhrnutie lekcie, vysvetlenie domácej úlohy

Domáca úloha: §22; problém 72

Lekcia č. 2. Brána. Navijak.

Ciele lekcie: zvážte zostávajúce jednoduché mechanizmy - navijak, bránu a naklonenú rovinu; zoznámte sa so spôsobmi, ako nájsť zisk v sile poskytovanej navijakom a naklonenou rovinou.

Vybavenie: model brány, veľká skrutka alebo skrutka, pravítko.

Počas tried:

I. Organizačný moment

II. Naprogramovaný prieskum k predchádzajúcemu materiálu:

1. Ktorý blok nezvýši silu?

1. Mobilné,
2. opravené,
3. Nie

2. Je možné pomocou blokov získať 3-násobok sily?

3. Koľko lán sa na obrázku prerezáva?

1. jeden,
2. štyri,
3. Päť,
4. šesť,
5. Ďalšia odpoveď.

4. Chlapec dokáže zdvihnúť 25 kg. Ale potrebuje zdvihnúť 100. Koľko kociek potrebuje na výrobu reťazového kladkostroja?

1. štyri,
2. Päť,
3. Osem,
4. desať,
5. Ďalšia odpoveď.

5. Tesár pri oprave rámov nenašiel pevné lano. Narazil na strunu, ktorá v pretrhnutí vydržala 70 kg. Samotný stolár vážil 70 kg a košík, v ktorom ho dvíhali, vážil 30 kg. Potom vzal a zostavil mechanizmus znázornený na obrázku 1. Udrží ho lano?

6. Po práci sa tesár pripravil na obed a pripevnil lano na rám, aby si uvoľnil ruky, ako je znázornené na obrázku 2. Udrží lano?

III. Nový materiál:

Zapisovanie termínov do zošita.

Brána sa skladá z valca a k nemu pripevnenej kľučky (ukážte model brány). Najčastejšie sa používa na zdvíhanie vody zo studní (obr. 60 s. 57).

Navijak je kombinácia navijaka s ozubenými kolesami rôznych priemerov. Toto je pokročilejší mechanizmus. Pri jeho použití môžete dosiahnuť najväčšiu silu.

Slovo učiteľa. Legenda o Archimedesovi.

Jedného dňa prišiel Archimedes do mesta, kde miestny tyran počul o zázrakoch, ktoré vykonal veľký mechanik. Požiadal Archimeda, aby predviedol nejaký zázrak. "Dobre," povedal Archimedes, "ale nech mi pomôžu kováči." Zadal objednávku a o dva dni, keď bolo auto pripravené, pred užasnutou verejnosťou Archimedes sám, sediaci na piesku a lenivo krútiaci kľučkou, vytiahol z vody loď, ktorú ledva vytiahol 300 ľudí. Teraz si historici myslia, že práve vtedy bol prvýkrát použitý navijak. Faktom je, že pri použití reťazového kladkostroja sa akcie jednotlivých blokov sčítavajú a na dosiahnutie 300-násobného zvýšenia sily je potrebných 150 blokov. A pri použití navijaka sa akcie jednotlivých prevodov znásobia, to znamená, že pri spojení dvoch prevodov, z ktorých jeden dáva zosilnenie sily 5-krát a druhý 5-krát, dostaneme celkový zisk 25-krát. A ak použijete rovnaký prevod znova, celková výhra dosiahne 125-násobok. (A nie 15, ako pri jednoduchom sčítaní).

Na vytvorenie tohto navijaka teda stačilo vyrobiť mechanizmus podobný zariadeniu (obr. 61 s. 58). Pri uvedených rozmeroch poskytuje horná brána 12-násobné zvýšenie sily, prevodový systém 10-krát a druhá brána 5-krát. Navijak poskytuje 60-násobný nárast sily.

Naklonená rovina je jednoduchý mechanizmus, ktorý mnohí z vás určite poznajú. Používa sa na zdvíhanie ťažkých predmetov, ako sú sudy, do auta. Bez ohľadu na to, koľkokrát pri zdvíhaní naberieme na sile, toľkokrát stratíme na vzdialenosti. Môžeme napríklad zrolovať sud s hmotnosťou 50 kg. A musíte zdvihnúť 300 kg 1 meter na výšku. Akú dĺžku dosky si mám vziať?

Poďme vyriešiť problém:

Keďže musíme vyhrať v sile 6-krát, preto aj strata na diaľku musí byť aspoň 6-krát. To znamená, že doska musí mať dĺžku aspoň 6 metrov.

Príklady naklonenej roviny zahŕňajú matice a skrutky, kliny a mnoho rezných a prepichovacích nástrojov (ihla, šidlo, klinec, dláto, dláto, nožnice, rezačky drôtu, kliešte, nôž, žiletka, dláto, sekera, sekáč, hoblík, spojka, selektor , fréza, lopata, motyka, kosák, kosák, vidly a pod.), pracovné časti strojov na obrábanie pôdy (pluhy, brány, krovinorezy, kultivátory, buldozéry a pod.)

Vezmime si ako príklad „tetríka“. Toto je slepý klin v kladive, ktorý drží rukoväť. Odtlačením drevených vlákien tento klin, podobne ako lis, odtlačí rukoväť v otvore a bezpečne ju zafixuje.

Ale čo ak nepotrebujeme necht, aby roztlačil vlákna od seba? Napríklad musíte zatĺcť klinec do tenkého kusu dreva. Ak tam zatĺcte obyčajný klinec, jednoducho praskne. K tomu tesári špeciálne otupujú klince a zatĺkajú matné. Potom klinec jednoducho drví vlákna dreva pred sebou, ale neodtláča ich od seba ako klin.

V dávnych dobách sa na vojenské účely používali mnohé jednoduché mechanizmy. Ide o balisty a katapulty (obrázok 62, 63). Ako podľa vás fungujú?

O odpovediach žiakov diskutujeme s celou triedou.

Archimedes sa preslávil najmä veľkým množstvom vynálezov. (Ak je voľný čas, učiteľ hovorí o vynálezoch Archimeda).

IV. Spevnenie nového materiálu

Praktická práca:

1) Vezmite veľkú skrutku alebo skrutku a pomocou milimetrového pravítka odmerajte obvod jej hlavy. Aby ste to dosiahli, musíte pripevniť hlavu skrutky k dielom milimetrového pravítka a navinúť ju pozdĺž dielikov.

Obvod hlavy skrutky l= 2R = ... mm

2) Teraz vezmite merací kompas a milimetrové pravítko a pomocou nich zmerajte vzdialenosť medzi dvoma susednými výstupkami skrutkového závitu. Táto vzdialenosť sa nazýva stúpanie alebo zdvih skrutky.

Rozstup skrutiek h = … mm

3) Teraz vydeľte obvod hlavy stúpaním skrutky a zistíte, koľkokrát získame na sile pomocou tejto skrutky.

V. Doplnková úloha: „Hlúpe“ kladkostroje.

Skúste uhádnuť, koľkokrát naberieme na sile pri použití nasledujúcich blokových systémov.

Na vyriešenie druhého a tretieho problému nestačí odpovedať na otázku „Koľko úsekov lana sa skráti, ak sa potiahne „nadoraz“ Problémy si vyžadujú neštandardný prístup Nechajte človeka ťahať silou 10 N. Táto sila je vyvážená napätím lana 2. To znamená, že na druhom lane je ťažná sila 20 N. Ale je vyvážená napätím lana 3. Toto znamená, že na treťom lane je ťažná sila 40 N. A na štvrtom lane je 80 N. Preto je prírastok sily 8-násobný.

Bibliografický popis: Shumeiko A.V., Vetashenko O.G. Moderný pohľad na jednoduchý „blokový“ mechanizmus, študovaný v učebniciach fyziky pre 7. ročník // Mladý vedec. 2016. Číslo 2. S. 106-113..07.2019).

Učebnice fyziky pre 7. ročník pri štúdiu jednoduchého blokového mechanizmu interpretujú výhru rôznymi spôsobmi sila pri zdvíhaní bremena z pomocou tohto mechanizmu, napríklad: in Peryshkinova učebnica A. B. výhry v pevnosť sa dosiahne s pomocou kolesa bloku, na ktoré pôsobia sily páky, a v Gendensteinovej učebnici L. E. rovnaké výhry sa získajú s pomocou kábla, ktorý je vystavený ťahovej sile kábla. Rôzne učebnice, rôzne predmety a rôzne sily - získať výhry v sila pri zdvíhaní bremena. Účelom tohto článku je preto hľadanie objektov a sila, s prostredníctvom ktorého sa získavajú výhry sila, pri zdvíhaní bremena jednoduchým blokovým mechanizmom.

Kľúčové slová:

Najprv sa pozrime a porovnajme, ako sa získavajú prírastky sily pri zdvíhaní bremena jednoduchým blokovým mechanizmom, v učebniciach fyziky pre 7. ročník Za týmto účelom umiestnime do tabuľky úryvky z textov učebníc s rovnakými pojmami kvôli prehľadnosti.

Peryshkin A.V. 7. trieda. § 61. Aplikácia pravidla rovnováhy páky na blok, s. 180–183.	Gendenshtein L. E. Fyzika. 7. trieda. § 24. Jednoduché mechanizmy, s. 188–196.
„Blokovať Je to koleso s drážkou, osadené v držiaku. Cez blokový žľab prechádza lano, lano alebo reťaz. "Pevný blok nazývajú taký blok, ktorého os je pevná a pri zdvíhaní bremien sa nedvíha ani neklesá (obr. 177). Pevný blok možno považovať za rovnoramennú páku, v ktorej sú ramená síl rovné polomeru kolesa (obr. 178): OA=OB=r. Takýto blok neposkytuje zisk na sile (F1 = F2), ale umožňuje vám zmeniť smer sily.“	"Dáva to pevný blok naberať na sile? ...na obr. 24.1a je lano napínané silou pôsobiacou rybárom na voľný koniec lana. Napínacia sila kábla zostáva konštantná pozdĺž kábla, takže zo strany kábla k záťaži (ryba ) pôsobí sila rovnakej veľkosti. Preto stacionárny blok neposkytuje zisk na sile. 6.Ako môžete získať silu pomocou pevného bloku? Ak človek zdvihne seba, ako je znázornené na obr. 24.6, potom sa hmotnosť osoby rovnomerne rozloží na dve časti kábla (na opačných stranách bloku). Preto sa človek dvíha tak, že pôsobí silou, ktorá je polovica jeho hmotnosti.“
« Pohyblivý blok- ide o blok, ktorého os stúpa a klesá spolu s bremenom (obr. 179). Obrázok 180 zobrazuje páku, ktorá jej zodpovedá: O je os páky, AO - rameno sily P a OB - rameno sily F. Keďže rameno OB je 2-krát väčšie ako rameno OA, potom je sila F 2-krát menšia ako sila P: F=P/2. teda pohyblivý blok dáva zisksila 2 krát".	"5. Prečo pohyblivý blok dáva výhru vv platnostidvakrát? Keď sa bremeno zdvíha rovnomerne, pohybujúci sa blok sa tiež pohybuje rovnomerne. To znamená, že výslednica všetkých síl naň pôsobiacich je nulová. Ak možno zanedbať hmotnosť bloku a trenie v ňom, potom môžeme predpokladať, že na blok pôsobia tri sily: hmotnosť bremena P smerujúca nadol a dve rovnaké ťahové sily kábla F smerujúce nahor. . Keďže výslednica týchto síl je nulová, potom P = 2F, tzn hmotnosť bremena je 2-násobok napínacej sily kábla. Ale napínacia sila lana je presne tá sila, ktorá pôsobí pri zdvíhaní bremena pomocou pohyblivého bloku. Tak sa nám osvedčilo že pohyblivý blok dáva zisk v sila 2 krát".
„Zvyčajne v praxi využívajú kombináciu pevného bloku a pohyblivého (obr. 181). Pevný blok sa používa len pre pohodlie. Neprináša zisk na sile, ale mení smer sily, napríklad umožňuje zdvihnúť náklad v stoji na zemi. 181. Obr. Kombinácia pohyblivých a pevných blokov – reťazový kladkostroj.“	„12. Obrázok 24.7 zobrazuje systém bloky. Koľko má pohyblivých blokov a koľko pevných? Aký zisk na sile dáva takýto systém blokov, ak trenie a dá sa hmotnosť blokov zanedbať? . Obr.24.7. Odpoveď na strane 240: „12 pevné; 8-krát."

Zhrňme si prehľad a porovnanie textov a obrázkov v učebniciach:

Dôkaz získania prírastku sily v učebnici A. V. Peryškina sa uskutočňuje na kolese bloku a pôsobiacou silou je sila páky; Pri zdvíhaní bremena neposkytuje stacionárny blok zvýšenie sily, ale pohyblivý blok poskytuje 2-násobné zvýšenie sily. Nie je tam zmienka o kábli, na ktorom visí bremeno na pevnom bloku a pohyblivom bloku s bremenom.

Na druhej strane, v učebnici od Gendensteina L.E. sa dôkaz zosilnenia sily vykonáva na kábli, na ktorom visí bremeno alebo pohyblivý blok s bremenom a pôsobiacou silou je napínacia sila lana; pri zdvíhaní bremena môže stacionárny blok poskytnúť 2-násobné zvýšenie pevnosti, ale v texte nie je žiadna zmienka o páke na kolese bloku.

Rešerš literatúry popisujúcej zosilnenie sily pomocou bloku a kábla viedol k „Základnej učebnici fyziky“, ktorú vydal akademik G. S. Landsberg, v § 84. Jednoduché stroje na s. 168–175 majú popisy: „jednoduchý blok, dvojitý blok, hradlo, kladka a blok diferenciálu“. „Dvojitý blok svojou konštrukciou skutočne zvyšuje silu pri zdvíhaní bremena v dôsledku rozdielu v dĺžke polomerov blokov“, pomocou ktorých sa bremeno zdvíha, a „kladkový blok dáva zvýšenie sily pri zdvíhaní bremena v dôsledku lana, na ktorého niekoľkých častiach bremeno visí." Bolo teda možné zistiť, prečo blok a lano (lano) zvyšujú pevnosť pri zdvíhaní bremena, ale nebolo možné zistiť, ako sa blok a lano vzájomne ovplyvňujú a prenášajú hmotnosť bremena. zaťaženie navzájom, pretože bremeno môže byť zavesené na kábli a kábel je prehodený cez blok alebo bremeno môže visieť na bloku a blok visí na kábli. Ukázalo sa, že ťažná sila lana je konštantná a pôsobí po celej dĺžke lana, takže prenos hmotnosti bremena lankom na blok bude v každom bode kontaktu lana s blokom. , ako aj prenos hmotnosti bremena zaveseného na bloku na kábel. Aby sme objasnili interakciu bloku s káblom, vykonáme experimenty na získanie zvýšenia sily s pohyblivým blokom pri zdvíhaní bremena pomocou vybavenia školskej učebne fyziky: dynamometre, laboratórne bloky a súprava závaží v 1N (102 g). Začnime experimenty s pohyblivým blokom, pretože máme tri rôzne verzie získania nárastu sily s týmto blokom. Prvá verzia je „Obr.180. Pohyblivý blok ako páka s nerovnakými ramenami“ – učebnica A. V. Peryshkina, druhá „Obr. 24.5... dve rovnaké ťahové sily lana F“ – podľa učebnice L. E. Gendensteina a napokon tretia „Obr . Zdvíhanie bremena pohyblivou sponou kladky na viacerých častiach jedného lana - podľa učebnice G. S. Landsberga.

Skúsenosť č.1. "Obr. 183"

Na vykonanie experimentu č. 1, získania nárastu sily na pohyblivom bloku „s pákou s nerovnakými ramenami OAB obr. 180“ podľa učebnice A. V. Peryshkina, na pohyblivom bloku „obr. 183“ nakreslite polohu 1 páku s nerovnakými ramenami OAB, ako na „Obr. 180“, a začnite zdvíhať bremeno z polohy 1 do polohy 2. V tom istom okamihu sa blok začne otáčať proti smeru hodinových ručičiek okolo svojej osi v bode A av bode B. , koniec páky, za ktorým dochádza k zdvihu, vychádza za polkruh, pozdĺž ktorého lano zospodu obchádza pohyblivý blok. Bod O - os páky, ktorá by mala byť nehybná, ide dole, pozri „Obr. 183“ - poloha 2, t.j. páka s nerovnakými ramenami OAB sa mení ako páka s rovnakými ramenami (body O a B prechádzajú rovnako. cesty).

Na základe údajov získaných v experimente č.1 o zmenách polohy páky OAB na pohyblivom bloku pri zdvíhaní bremena z polohy 1 do polohy 2 môžeme usúdiť, že znázornenie pohyblivého bloku ako páky s nerovnakými ramenami na „Obr. 180“, pri zdvíhaní bremena, s otáčaním bloku okolo jeho osi, zodpovedá páka s rovnakými ramenami, ktorá neposkytuje nárast sily pri zdvíhaní bremena.

Pokus č.2 začneme tak, že na konce kábla pripevníme silomery, na ktoré zavesíme pohyblivý blok s bremenom o hmotnosti 102 g, čo zodpovedá gravitačnej sile 1 N. Jeden z koncov zafixujeme kábel na závese a pomocou druhého konca kábla zdvihneme bremeno na pohyblivom bloku. Pred stúpaním boli hodnoty oboch dynamometrov na začiatku stúpania 0,5 N, hodnoty dynamometra, pre ktorý nastal vzostup, sa zmenili na 0,6 N a zostali tak aj na konci stúpania; hodnoty sa vrátili na 0,5 N. Hodnoty dynamometra fixovaného pre pevné zavesenie sa počas stúpania nezmenili a zostali rovné 0,5 N. Analyzujme výsledky experimentu:

1. Pred zdvíhaním, keď bremeno 1 N (102 g) visí na pohyblivom bloku, sa hmotnosť bremena rozloží na celé koleso a prenesie sa na lano, ktoré obíde blok zospodu pomocou celého polkruhu koleso.
2. Pred zdvihnutím sú údaje oboch dynamometrov 0,5 N, čo udáva rozloženie hmotnosti bremena 1 N (102 g) na dve časti lana (pred a za blokom) alebo že napínacia sila lana je 0,5 N, a je rovnaký po celej dĺžke kábla (rovnaký na začiatku, rovnaký na konci kábla) - obe tieto tvrdenia sú pravdivé.

Porovnajme analýzu experimentu č. 2 s učebnicovými verziami o získaní 2-násobného nárastu sily pomocou pohyblivého bloku. Začnime tvrdením v učebnici od Gendensteina L.E. „... že na blok pôsobia tri sily: hmotnosť bremena P smerujúca nadol a dve rovnaké ťahové sily kábla smerujúce nahor (obr. 24.5). .“ Presnejšie by bolo povedať, že hmotnosť bremena na „obr. 14,5" bol rozdelený na dve časti kábla, pred a za blokom, pretože napínacia sila kábla je jedna. Zostáva analyzovať podpis pod „obr. 181“ z učebnice A. V. Peryshkina „Kombinácia pohyblivých a pevných blokov - kladkostroj“. Popis zariadenia a prírastku sily pri zdvíhaní bremena kladkou je uvedený v Elementárnej učebnici fyziky, vyd. Lansberg G.S., kde sa hovorí: „Každý kus lana medzi blokmi bude pôsobiť na pohybujúce sa bremeno silou T a všetky kusy lana budú pôsobiť silou nT, kde n je počet samostatných častí lana spájajúcich obe časti. časti bloku“. Ukazuje sa, že ak na „obr. 181“ aplikujeme zosilnenie sily s „lanom spájajúcim obe časti“ kladky zo Základnej učebnice fyziky od G. S. Landsberga, potom popis zosilnenia sily s pohyblivým blokom. na „Obr. 179“ a podľa toho na Obr. 180“ by bola chyba.

Po analýze štyroch učebníc fyziky môžeme dospieť k záveru, že existujúci popis toho, ako jednoduchý blokový mechanizmus vytvára zosilnenie, nezodpovedá skutočnému stavu vecí, a preto si vyžaduje nový popis fungovania jednoduchého blokového mechanizmu.

Jednoduchý náklad zdvíhací mechanizmus pozostáva z bloku a kábla (lana alebo reťaze).

Bloky tohto zdvíhacieho mechanizmu sú rozdelené na:

podľa návrhu na jednoduché a zložité;

podľa spôsobu zdvíhania bremien na pohyblivé a stacionárne.

Začnime sa oboznamovať s dizajnom blokov s jednoduchý blok, čo je koleso otáčajúce sa okolo svojej osi, s drážkou po obvode pre lanko (lano, reťaz) obr.1 a možno ju považovať za rovnoramennú páku, v ktorej sú ramená síl rovné polomeru koleso: OA=OB=r. Takýto blok neposkytuje zisk na sile, ale umožňuje zmeniť smer pohybu kábla (lano, reťaz).

Dvojblok pozostáva z dvoch blokov rôznych polomerov, pevne spojených dohromady a namontovaných na spoločnej osi na obr. Polomery blokov r1 a r2 sú rôzne a pri zdvíhaní bremena pôsobia ako páka s nerovnakými ramenami a prírastok sily sa bude rovnať pomeru dĺžok polomerov bloku väčšieho priemeru k blok menšieho priemeru F = Р·r1/r2.

Brána pozostáva z valca (bubnu) a k nemu pripevnenej rukoväte, ktorá pôsobí ako blok veľkého priemeru Zisk sily daný golierom je určený pomerom polomeru kružnice R opísanej rukoväťou k polomeru. valca r, na ktorom je navinuté lano F = Р r/ R.

Prejdime k metóde zdvíhania bremena pomocou blokov. Z popisu návrhu majú všetky bloky os, okolo ktorej sa otáčajú. Ak je os bloku pevná a pri zdvíhaní bremien nestúpa ani neklesá, potom sa takýto blok nazýva pevný blok jednoblok, dvojblok, brána.

U pohyblivý blok náprava stúpa a klesá spolu s bremenom (obr. 10) a je určená najmä na elimináciu ohybu lana v mieste zavesenia bremena.

Zoznámime sa so zariadením a spôsobom zdvíhania bremena druhou časťou jednoduchého zdvíhacieho mechanizmu je lano, lano alebo reťaz. Kábel je vyrobený z oceľových drôtov, lano je vyrobené z nití alebo prameňov a reťaz pozostáva z článkov spojených navzájom.

Metódy zavesenia bremena a získania sily pri zdvíhaní bremena pomocou kábla:

Na obr. 4, náklad je upevnený na jednom konci kábla a ak zdvihnete náklad za druhý koniec kábla, potom na zdvihnutie tohto nákladu budete potrebovať silu o niečo väčšiu ako hmotnosť nákladu, pretože jednoduchý blok nárastu sily nedáva F = P.

Na obr. 5 pracovník zdvíha bremeno pomocou lana, ktoré zhora obopína jednoduchý blok, na jednom konci prvej časti lana je sedadlo, na ktorom sedí pracovník, a pri druhej časti lana; pracovník sa dvíha silou 2-krát menšou ako je jeho hmotnosť, pretože hmotnosť pracovníka bola rozdelená na dve časti kábla, prvá - od sedadla k bloku a druhá - od bloku po ruky pracovníka F = P/2.

Na obr.6 zdvíhajú bremeno dvaja pracovníci pomocou dvoch lán a hmotnosť bremena bude rovnomerne rozložená medzi laná a teda každý pracovník bude zdvíhať bremeno silou rovnajúcou sa polovici hmotnosti bremena F = P/ 2.

Na obr.7 pracovníci zdvíhajú bremeno, ktoré visí na dvoch častiach jedného lana a hmotnosť bremena bude rovnomerne rozložená medzi časti tohto lana (ako medzi dvoma lanami) a každý pracovník bude bremeno zdvíhať silou. rovná polovici hmotnosti nákladu F = P/2.

Na obr.8 bol koniec lana, ktorým jeden z pracovníkov zdvíhal bremeno, zaistený na stacionárnom závese a hmotnosť bremena sa rozložila na dve časti lana a keď pracovník zdvihol zaťaženie druhým koncom lana, sila, ktorou by pracovník bremeno zdvihol, bola dvojnásobná menšia ako hmotnosť bremena F = P/2 a zdvíhanie bremena bude 2x pomalšie.

Na obr.9 bremeno visí na 3 častiach jedného kábla, ktorého jeden koniec je pevný a prírastok sily pri zdvíhaní bremena bude rovný 3, keďže hmotnosť bremena bude rozložená na tri časti lana. kábel F = P/3.

Na elimináciu ohybu a zníženie trecej sily je v mieste zavesenia bremena inštalovaný jednoduchý blok a sila potrebná na zdvihnutie bremena sa nezmenila, keďže jednoduchý blok neposkytuje zisk na pevnosti, obr. a obr. 11 a bude sa nazývať samotný blok pohyblivý blok, pretože os tohto bloku stúpa a klesá spolu s nákladom.

Teoreticky možno bremeno zavesiť na neobmedzený počet častí jedného lana, ale v praxi sú obmedzené na šesť častí a takýto zdvíhací mechanizmus je tzv. reťazový kladkostroj, ktorý pozostáva z pevných a pohyblivých klipov s jednoduché bloky, ktoré sú striedavo ovinuté okolo kábla, ktorého jeden koniec je pripevnený k pevnej spone a pomocou druhého konca kábla sa zdvíha bremeno. Prírastok pevnosti závisí od počtu častí kábla medzi pevnou a pohyblivou klietkou, spravidla je to 6 častí kábla a prírastok pevnosti je 6-násobný.

Článok skúma reálne interakcie medzi blokmi a káblom pri zdvíhaní bremena. Existujúca prax pri určovaní, že „pevný blok nezosilňuje silu, ale pohyblivý blok zvyšuje silu 2-krát“, nesprávne interpretovala interakciu lana a bloku v zdvíhacom mechanizme a neodrážala plnú rôznorodosť návrhov blokov, čo viedlo k rozvoju jednostranných chybných predstáv o bloku. V porovnaní s existujúcimi objemami materiálu na štúdium jednoduchého blokového mechanizmu sa objem článku zväčšil 2-krát, čo však umožnilo jasne a zrozumiteľne vysvetliť procesy prebiehajúce v jednoduchom zdvíhacom mechanizme nielen študentom, ale aj učiteľom.

Literatúra:

1. Pyryshkin, A.V. Fyzika: učebnica / A.V., prídavné - M.: Drop, 224 s.,: chor. ISBN 978–5-358–14436–1. § 61. Aplikácia pravidla rovnováhy páky na blok, s. 181–183.
2. Gendenstein, L. E. Fyzika. 7. trieda. O 14.00 hod. 1. časť Učebnica pre vzdelávacie inštitúcie/ L. E. Gendenshten, A. B. Kaidalov, V. B. Koževnikov; upravil V. A. Orlová, I. I. Roizen - 2. vyd., prepracované. - M.: Mnemosyne, 2010.-254 s.: chor. ISBN 978–5-346–01453–9. § 24. Jednoduché mechanizmy, s. 188–196.
3. Elementárna učebnica fyziky, ktorú spracoval akademik G. S. Landsberg 1. zväzok. Mechanika. Teplo. Molekulárna fyzika - 10. vyd. - M.: Nauka, 1985. § 84. Jednoduché stroje, s. 168–175.
4. Gromov, S. V. Fyzika: Učebnica. pre 7. ročník všeobecné vzdelanie inštitúcie / S. V. Gromov, N. A. Rodina - 3. vyd. - M.: Školstvo, 2001.-158 s.,: chor. ISBN-5–09–010349–6. §22. Blok, s.55 -57.

Kľúčové slová: blok, dvojitý blok, pevný blok, pohyblivý blok, kladkový blok..

Anotácia: Učebnice fyziky pre 7. ročník pri štúdiu jednoduchého blokového mechanizmu rôznym spôsobom interpretujú prírastok sily pri zdvíhaní bremena pomocou tohto mechanizmu, napr.: v učebnici A. V. Peryškina sa prírastok sily dosahuje pomocou kolesa bloku, na ktorý pôsobia sily páky a v učebnici od Gendensteina L.E. sa rovnaký zisk dosiahne pomocou lanka, na ktoré pôsobí ťažná sila lanka. Rôzne učebnice, rôzne predmety a rôzne sily – na získanie prírastku sily pri zdvíhaní bremena. Účelom tohto článku je preto hľadanie predmetov a síl, pomocou ktorých sa získava prírastok sily pri zdvíhaní bremena jednoduchým blokovým mechanizmom.

Témy kodifikátora Jednotnej štátnej skúšky: jednoduché mechanizmy, účinnosť mechanizmu.

Mechanizmus - ide o zariadenie na premenu sily (jej zvyšovanie alebo znižovanie).
Jednoduché mechanizmy - páka a naklonená rovina.

Rameno páky.

Rameno páky je tuhé teleso, ktoré sa môže otáčať okolo pevnej osi. Na obr. 1) je znázornená páka s osou otáčania. Sily a sú aplikované na konce páky (body a ). Ramená týchto síl sa rovnajú resp.

Rovnovážny stav páky je daný momentovým pravidlom: , odkiaľ

Ryža. 1. Páka

Z tohto vzťahu vyplýva, že páka dáva nárast sily alebo vzdialenosti (v závislosti od účelu, na ktorý sa používa) toľkokrát, koľkokrát je väčšie rameno dlhšie ako menšie.

Napríklad, aby ste zdvihli bremeno 700 N silou 100 N, musíte vziať páku s pomerom ramien 7:1 a umiestniť záťaž na krátke rameno. 7-krát naberieme na sile, ale rovnako veľakrát stratíme na vzdialenosti: koniec dlhého ramena bude opisovať 7-krát väčší oblúk ako koniec krátkeho ramena (teda záťaž).

Príklady pák, ktoré zvyšujú silu, sú lopata, nožnice a kliešte. Veslárske veslo je páka, ktorá dáva zisk do vzdialenosti. A obyčajné pákové váhy sú páka s rovnakým ramenom, ktorá neposkytuje žiadne zvýšenie ani vzdialenosti, ani sily (inak sa dajú použiť na váženie zákazníkov).

Pevný blok.

Dôležitým typom páky je blokovať - koleso upevnené v klietke s drážkou, cez ktorú prechádza lano. Vo väčšine problémov sa lano považuje za beztiažovú, neroztiahnuteľnú niť.

Na obr. Obrázok 2 zobrazuje stacionárny blok, t. j. blok so stacionárnou osou otáčania (prechádzajúcou kolmo na rovinu výkresu cez bod 10).

Na pravom konci nite je k hrotu pripevnené závažie. Pripomeňme si, že telesná hmotnosť je sila, ktorou telo tlačí na podperu alebo napína záves. V tomto prípade sa závažie aplikuje na miesto, kde je zaťaženie pripevnené k závitu.

Na ľavý koniec vlákna v bode pôsobí sila.

Silové rameno sa rovná , kde je polomer bloku. Váhové rameno sa rovná . To znamená, že pevný blok je páka s rovnakým ramenom, a preto neposkytuje zisk ani v sile, ani vo vzdialenosti: po prvé, máme rovnosť a po druhé, v procese pohybu bremena a nite pohyb bod sa rovná pohybu bremena.

Prečo potom vôbec potrebujeme pevný blok? Je to užitočné, pretože vám umožňuje zmeniť smer úsilia. Typicky sa pevný blok používa ako súčasť zložitejších mechanizmov.

Pohyblivý blok.

Na obr. 3 znázornený pohyblivý blok, ktorého os sa pohybuje spolu s nákladom. Niť ťaháme silou, ktorá pôsobí v bode a smeruje nahor. Blok sa otáča a súčasne sa pohybuje nahor, čím zdvíha bremeno zavesené na nite.

IN tento momentčas, pevný bod je bod , a práve okolo neho sa blok otáča ("prevalil" by sa cez bod ). Tiež hovoria, že okamžitá os otáčania bloku prechádza bodom (táto os smeruje kolmo na rovinu výkresu).

Hmotnosť bremena sa aplikuje v mieste, kde je bremeno pripevnené k závitu. Pákový efekt sily sa rovná .

Ale rameno sily, ktorou ťaháme niť, sa ukáže byť dvakrát väčšie: rovná sa . Podmienkou rovnováhy zaťaženia je teda rovnosť (čo vidíme na obr. 3: vektor je polovičný ako vektor).

V dôsledku toho pohyblivý blok poskytuje dvojnásobné zvýšenie sily. Zároveň však strácame rovnako dvakrát vo vzdialenosti: na zdvihnutie nákladu o jeden meter sa bude musieť bod posunúť o dva metre (teda vytiahnuť dva metre nite).

Blok na obr. 3 je tu jedna nevýhoda: ťahanie nite nahor (za bod) nie je najviac najlepší nápad. Súhlaste s tým, že je oveľa pohodlnejšie ťahať niť nadol! Tu nám príde na pomoc stacionárny blok.

Na obr. Obrázok 4 znázorňuje zdvíhací mechanizmus, ktorý je kombináciou pohyblivého bloku a pevného bloku. Na pohyblivom bloku je zavesené bremeno a kábel je navyše prehodený cez pevný blok, čo umožňuje ťahanie lana nadol a zdvihnutie bremena. Vonkajšiu silu na kábli opäť symbolizuje vektor .

Toto zariadenie sa v zásade nelíši od pohyblivého bloku: s jeho pomocou tiež získame dvojnásobný nárast sily.

Naklonená rovina.

Ako vieme, je ľahšie valiť ťažký sud po naklonených chodníkoch, ako ho dvíhať vertikálne. Mosty sú teda mechanizmom, ktorý poskytuje zisky na sile.

V mechanike sa takýto mechanizmus nazýva naklonená rovina. Naklonená rovina - je to hladký plochý povrch umiestnený v určitom uhle k horizontu. V tomto prípade stručne hovoria: „naklonená rovina s uhlom“.

Nájdite silu, ktorá musí pôsobiť na hmotné zaťaženie, aby sa rovnomerne zdvihlo pozdĺž hladkej naklonenej roviny pod uhlom . Táto sila samozrejme smeruje po naklonenej rovine (obr. 5).

Vyberieme os, ako je znázornené na obrázku. Pretože sa náklad pohybuje bez zrýchlenia, sily pôsobiace naň sú vyvážené:

Projektujeme na osi:

To je presne sila, ktorú je potrebné použiť, aby sa bremeno posunulo po naklonenej rovine.

Na rovnomerné vertikálne zdvihnutie rovnakého bremena je potrebná sila rovnajúca sa . Je vidieť, že od . Naklonená rovina v skutočnosti dáva nárast sily a čím menší je uhol, tým väčší je zisk.

Široko používané typy naklonenej roviny sú klin a skrutka.

Zlaté pravidlo mechaniky.

Jednoduchý mechanizmus môže zvýšiť silu alebo vzdialenosť, ale nemôže zvýšiť prácu.

Napríklad páka s pákovým pomerom 2:1 poskytuje dvojnásobný nárast sily. Aby ste zdvihli váhu na menšie rameno, musíte použiť silu na väčšie rameno. Aby sa však náklad zdvihol do výšky, väčšie rameno bude musieť byť znížené o , a vykonaná práca sa bude rovnať:

teda rovnakú hodnotu ako bez použitia páky.

V prípade naklonenej roviny získavame na sile, keďže na záťaž pôsobíme silou, ktorá je menšia ako sila gravitácie. Aby sme však náklad zdvihli do výšky nad východiskovú polohu, musíme ísť po naklonenej rovine. Zároveň robíme prácu

t.j. rovnako ako pri zvislom zdvíhaní bremena.

Tieto skutočnosti slúžia ako prejavy takzvaného zlatého pravidla mechaniky.

Zlaté pravidlo mechanika. Ani jeden z jednoduché mechanizmy neprináša zisk v práci. Koľkokrát vyhráme v sile, koľkokrát prehráme na diaľku a naopak.

Zlaté pravidlo mechaniky nie je nič iné ako jednoduchá verzia zákona zachovania energie.

Účinnosť mechanizmu.

V praxi musíme rozlišovať užitočnú prácu A užitočné, čo sa musí dosiahnuť pomocou mechanizmu za ideálnych podmienok bez akýchkoľvek strát a práca na plný úväzok A plný,
ktorý sa vykonáva na rovnaké účely v reálnej situácii.

Celková práca sa rovná súčtu:
- užitočná práca;
- práca vykonaná proti trecím silám v rôznych častiach mechanizmu;
- práca vykonaná na pohyb komponentov mechanizmu.

Takže pri zdvíhaní bremena pákou musíte dodatočne pracovať na prekonaní trecej sily v osi páky a na pohyb samotnej páky, ktorá má nejakú váhu.

Plná práca je vždy užitočnejšia. Pomer užitočnej práce k celkovej práci sa nazýva koeficient užitočná akcia(účinnosť) mechanizmu:

=A užitočné/ A plný

Účinnosť sa zvyčajne vyjadruje v percentách. Účinnosť reálnych mechanizmov je vždy menšia ako 100 %.

Vypočítajme účinnosť naklonenej roviny s uhlom za prítomnosti trenia. Koeficient trenia medzi povrchom naklonenej roviny a zaťažením sa rovná .

Nechajte hmotné zaťaženie rovnomerne stúpať pozdĺž naklonenej roviny pôsobením sily z bodu do bodu do výšky (obr. 6). V smere opačnom k ​​pohybu pôsobí na bremeno posuvná trecia sila.

Nedochádza k zrýchleniu, takže sily pôsobiace na záťaž sú vyvážené:

Premietame na os X:

. (1)

Premietame na os Y:

. (2)

okrem toho

, (3)

Z (2) máme:

Potom od (3):

Ak to nahradíme (1), dostaneme:

Celková práca sa rovná súčinu sily F a dráhy, ktorú telo prejde po povrchu naklonenej roviny:

A plný=.

Užitočná práca sa samozrejme rovná:

A užitočné =.

Pre požadovanú účinnosť získame:

Na získanie moci sa najčastejšie používajú jednoduché mechanizmy. To znamená použitie menšej sily na presun väčšej hmotnosti v porovnaní s ňou. Zároveň sa nárast sily nedosahuje „zadarmo“. Cenou za to je strata vzdialenosti, to znamená, že musíte urobiť väčší pohyb ako bez použitia jednoduchého mechanizmu. Keď sú však sily obmedzené, potom je „výmena“ vzdialenosti za silu prospešná.

Pohyblivé a pevné bloky sú dva typy jednoduchých mechanizmov. Okrem toho sú upravenou pákou, ktorá je tiež jednoduchým mechanizmom.

Pevný blok nezvyšuje silu, jednoducho mení smer jeho aplikácie. Predstavte si, že potrebujete zdvihnúť ťažký náklad pomocou lana. Budete to musieť vytiahnuť. Ak však použijete stacionárny blok, budete musieť ťahať nadol, kým sa náklad zdvihne. V tomto prípade to bude pre vás jednoduchšie, keďže potrebná sila bude pozostávať zo svalovej sily a vašej hmotnosti. Bez použitia stacionárneho bloku by musela byť použitá rovnaká sila, ale bola by dosiahnutá výlučne svalovou silou.

Pevný blok je koleso s drážkou pre lano. Koleso je pevné, môže sa otáčať okolo svojej osi, ale nemôže sa pohybovať. Konce lana (kábla) visia nadol, na jeden je pripevnená záťaž a na druhý pôsobí sila. Ak potiahnete kábel nadol, zaťaženie sa zdvihne.

Keďže nedochádza k prírastku sily, nedochádza ani k strate vzdialenosti. Vo vzdialenosti, o ktorú náklad stúpa, musí byť lano spustené v rovnakej vzdialenosti.

Použitie pohyblivý blok dáva prírastok sily dvakrát (v ideálnom prípade). To znamená, že ak je hmotnosť bremena F, potom na jeho zdvihnutie je potrebné použiť silu F/2. Pohyblivý blok pozostáva z rovnakého kolieska s drážkou pre kábel. Jeden koniec kábla je tu však upevnený a koleso je pohyblivé. Koleso sa pohybuje s nákladom.

Hmotnosť bremena je sila smerujúca nadol. Je vyvážený dvoma silami smerujúcimi nahor. Jeden je vytvorený podperou, ku ktorej je pripevnený kábel, a druhý ťahaním kábla. Napínacia sila kábla je na oboch stranách rovnaká, čo znamená, že hmotnosť bremena je medzi ne rovnomerne rozložená. Preto je každá sila 2-krát menšia ako hmotnosť bremena.

V reálnych situáciách je prírastok sily menší ako 2-krát, pretože zdvíhacia sila je čiastočne „plytvaná“ hmotnosťou lana a bloku, ako aj trením.

Pohyblivý blok, hoci poskytuje takmer dvojnásobný nárast sily, spôsobuje dvojnásobnú stratu vzdialenosti. Na zdvihnutie bremena do určitej výšky h sa musia laná na každej strane bloku zmenšiť o túto výšku, to znamená, že celkovo sú 2 hodiny.

Typicky sa používajú kombinácie pevných a pohyblivých blokov - kladkové bloky. Umožňujú vám získať silu a smer. Čím viac pohyblivých blokov je v reťazovom kladkostroji, tým väčší je nárast sily.