Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Простые механизмы. Блок.

Одним из простых механизмов является блок. Блок — это колесо с желобом, по которому пропущена веревка или трос. Используется блок, как и все простые механизмы, для преобразования силы — т.е. изменения направления и модуля приложенной силы.

Блоки бывают подвижные и неподвижные. Рассмотрим каждый случай подробно.

Неподвижный блок.

Неподвижный блок — это блок, ось которого (точка О на рисунке) закреплена, и блок при подъеме грузов не опускается и не поднимается.

Такой блок можно рассматривать как рычаг первого рода, у которого оба плеча равны между собой, и равны радиусу колеса блока:

Так как плечи рычага равны, то мы не получим выигрыша в силе. Проверим это, используя формулу равновесия рычага:

В нашем случае неподвижного блока:

Действительно, для того чтобы уравновесить силу на одном конце веревки, перекинутой через блок, нам необходимо приложить такую же силу на другом конце. Поэтому неподвижные блоки используют в том случае, если удобнее изменить направление силы, для совершения работы. Например, удобнее поднимать груз, удерживая веревку при помощи своего веса, поэтому на рисунке экспериментатор использует неподвижный блок.

Используя комбинации из неподвижных блоков можно менять направление силы как угодно:

И в этом случае, используя уже два неподвижных блока — мы не получаем выигрыша в силе, зато изменили направление приложения силы, теперь для поднятия груза силу мы должны приложить в горизонтальном направлении.

Подвижный блок

Подвижный блок — это блок, ось которого не закреплена, а поднимается вместе с грузом. Изобразим подвижный блок находящийся в равновесии, отметим на рисунке силы, действующие на систему, а также плечи приложения этих сил:

Подвижный блок можно сравнить с рычагом второго рода. Действительно: точка опоры О лежит по одну сторону от точки приложения сил, отрезок ОА — плечо силы P

Источник

Чем отличается подвижный блок от неподвижного?

Содержание статьи

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Смысл использования подвижного блока – выигрыш в силе при подъеме или перемещении грузов и физических тел. Неподвижный же блок выигрыша не даёт, однако часто сильно упрощает перемещение тела и используется в системах совместно с подвижным блоком.

Применение подвижного и неподвижного блоков

Система блоков встречается повсеместно. Это и подъемные краны, и различные устройства для перемещения грузов в гараже, и даже приводные ремни в современном автомобиле. Часто блок используется даже без четкого понимания того, что это тот самый механизм.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блокиЕщё один более редкий пример использования неподвижного блока. Когда человек вытаскивает из грязи автомобиль, обернув буксировочный трос вокруг ствола дерева. Делается это для большего удобства, поскольку буксировочная лебедка легко зацепится за небольшой конец троса, обернутого вокруг ствола. От самого такого блока выигрыша нет, да и поскольку дерево не вращается вокург своей оси, сила сопротивления увеличивает нагрузку.

Примеров использования этих простых механизмов вокруг нас очень много.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Решение задач с подвижным и неподвижным блоками

В задачах по физике часто необходимо определить, какой суммарный выигрыш в силе будет получен при использовании блоков. Ученику предлагается сложная схема, где соединены подряд несколько блоков разного типа.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блокиКлюч к решению подобных задач лежит в умении разобраться во взаимодействии этих устройств. Каждый блок рассчитывается отдельно, а затем добавляется в общую формулу. Расчётная формула для всей задачи составляется согласно схеме, которую нарисовал ученик, читая условие.

Для лучшего понимания подобных задач следует помнить, что блок – это своеобразный рычаг. Выигранная сила даёт потерю в расстоянии (в случае подвижного блока).

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блокиРасчётная формула очень простая.

Для неподвижного блока F=fmg, где F – это сила, f – коэффициент сопротивления блока, m – масса груза, g – гравитационная постоянная. Иными словами, F – это та сила, которую нужно приложить, чтобы поднять, например, ящик с земли с использованием неподвижного блока. Как видите, зависимость прямая и коэффициента нет.

Для подвижного блока мы имеем двукратный выигрыш в силе. Расчётная формулаF=0,5fmg, где буквенные обозначения аналогичны формуле чуть выше. Соответственно, при использовании подвижного блока, такой ящик с массой m будет поднять в два раза легче с блоком, чем с использованием одной лишь только собственной спины.

Обратите внимание, что коэффициент сопротивления – это то противодействие, которое возникает в блоке при перемещении по нему веревки. Обычно эти величины заданы в условии задачи или являются табличной величиной. Иногда в школьных задачах эти коэффициенты вовсе опускаются и не учитываются.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блокиКроме того, не нужно забывать, что если сила прилагается под углом, то нужно использовать стандартную методику расчёта треугольника сил. Если в задаче сказано, что человек тянет груз за веревку, которая находится под 30 градусами к линии горизонта, то это безусловно должно быть учтено и обозначено на расчётной схеме.

Источник

Блоки в механике

Простыми словами: блок – это колесо, на окружности которого есть желобок. Колесо может вращаться вокруг своей оси, а в желоб можно проложить ремень, или веревку.

Например, велосипедное колесо можно считать блоком, если с него снять резиновую шину и вместо нее проложить в желоб веревку, канат и т. п. К одному концу веревки можно прикрепить груз, а за второй конец – тянуть, то есть, прикладывать к нему силу.

Если вместо веревки желают использовать цепь, то вместо колеса с желобом часто используют колесо с выступающими зубцами. Это исключает проскальзывание цепи и увеличивает сцепление. Такие конструкции называют звездочками. К примеру, велосипед содержит две звезды – одну ведущую, на оси с педалями, вторую – ведомую, на оси заднего колеса.

Блоки применяют в различных механизмах, например, для подъема грузов.

Чем шкив отличается от блока

Есть разница между шкивом и блоком при их внешнем сходстве.

Шкив — соединяется с осью жестко, он будет передавать вращательное усилие с оси на ремень, или с ремня на ось.

Блок — свободно вращается на оси, с оси на ремень или с ремня на ось вращательное усилие не передаёт.

Условия для вывода формул

Упростим задачу получения формул для блоков. Будем считать блок идеальным.

Пусть для этого выполняются некоторые условия:

Пояснения к условиям

Эти три условия нужны для того, чтобы наши усилия затрачивались только на перемещение полезного груза, и не затрачивались на вращение блока. Груз мы прикрепляем к одному концу веревки, в то время, как тянем за другой ее конец.

Более строгим языком: условия должны выполняться, чтобы приложенная сила совершала лишь работу по перемещению полезного груза, а энергия на вращение блока не затрачивалась.

Честно говоря, в реальности ничего идеального не существует и все эти условия полностью соблюсти нельзя. Блоки изготавливают из прочных металлов, а они обладают массой. Трение можно только лишь уменьшить, но совсем избавиться от него не получится. Но, так как масса блока мала, по сравнению с поднимаемым грузом и трение значительно уменьшено, будем в этой статье считать блок идеальным.

Рассмотрим такие идеальные блоки.

Два вида блоков

Блоки, по их перемещению, можно разделить на два вида.

Неподвижный блок – вращается, оставаясь на месте (вращающееся колесо велосипеда, к примеру, лежащего на боку).

Подвижный блок – вращается и движется поступательно (велосипедное колесо во время поездки на велосипеде).

Примечание:

Если говорить более строгим языком, то через центр блока перпендикулярно плоскости блока проходит ось вращения. Блок называют неподвижным, если при вращении блока вокруг оси, точки, лежащие на этой оси, остаются неподвижными. Если же, точки, лежащие на оси, проходящей через центр блока, при его вращении будут двигаться поступательно — блок назовут подвижным.

Неподвижный блок

Рассмотрим блок, изображенный на рисунке 1.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Назовем красную точку на рисунке 1 кратко «точкой вращения». Блок может вращаться вокруг этой точки. При этом все точки блока будут двигаться по окружностям вокруг красной точки, а красная точка будет оставаться неподвижной.

Примечание:

Через точку, обозначенную на рисунке 1 красным цветом, проходит ось вращения блока перпендикулярно плоскости рисунка.

К левой части веревки, нарисованной черным цветом и пропущенной через желобок, приложена сила \( F_ <1>\), а к правой части веревки – сила \( F_ <2>\). Обе силы на рисунке направлены вниз.

Соединим три отмеченные точки прямой линией. На ней отметим расстояние между точкой, вокруг которой блок вращается и, точками, к которым приложены силы.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Теперь для упрощения уберем с рисунка 2 некоторые элементы, получим картину, представленную на рисунке 3. То есть, мы заменили неподвижный блок рычагом.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Определим вращательный момент каждой силы:

Подробнее о моменте силы читайте здесь (откроется в новой вкладке).

Теперь запишем условие равновесия рычага:

Пояснения к условиям равновесия рычага читайте в этой статье (откроется в новой вкладке).

И, подставив выражения для сил и их плеч, получим

\( — F_ <1>\cdot R + F_ <2>\cdot R = 0\)

\( F_ <2>\cdot R = F_ <1>\cdot R \)

Сократив обе части на \( R \), запишем для неподвижного блока следствие из условия равновесия:

Сила – это вектор, если между двумя векторами стоит знак равенства, значит, у них совпадают длина и направление.

О равенстве векторов читайте тут (откроется в новой вкладке).

Например, чтобы поднять мешок 50 килограммов без блока, нужно приложить силу примерно 500 Ньютонов. Используя неподвижный блок, мы прикладываем эту же силу, но благодаря блоку направляем ее вниз, а не наверх. Тянуть вниз удобнее, потому, что мы дополнительно прикладываем свой вес к тому концу веревки, за который тянем. Мы тянем вниз, а подвешенный мешок при этом поднимается вверх.

Важно! Неподвижный блок меняет направление вектора силы

Подвижный блок

Рассмотрим рисунок 4. На нем изображен подвижный блок. Он может вращаться вокруг точки, обозначенной на рисунке 4 красным цветом. Красную точку назовем «точкой вращения».

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Проведем прямую линию через три отмеченные точки (рис. 5) и отметим на ней расстояния между точкой, вокруг которой блок вращается и, точками, к которым приложены силы.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Уберем с рисунка окружность и получим такую картину (рис. 6). Мы заменили подвижный блок рычагом. Обе точки приложения сил находятся по одну сторону от оси вращения. Подробнее о таких видах рычагов читайте по этой ссылке.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Вращательные моменты сил:

\(M_ <1>= F_ <1>\cdot 2 \cdot R\)

Теперь запишем условие равновесия рычага:

Подставляя выражения для сил и их плеч, получим

\( F_ <1>\cdot 2 \cdot R — F_ <2>\cdot R = 0\)

\( F_ <1>\cdot 2 \cdot R = F_ <2>\cdot R \)

Разделим обе части на \( R \), и получим для подвижного блока следствие из условия равновесия:

Из выражения видно, что сила, с которой нужно тянуть вверх, в два раза меньше силы, приложенной к центральной части блока.

Из рисунков 4 – 6 видно: чтобы поднять груз вверх, нужно так же, тянуть вверх.

Поднимая мешок массой 50 килограммов без блока, мы прикладываем силу примерно 500 Ньютонов. Используя подвижный блок, мы прикладываем силу 250 Ньютонов, это в 2 раза меньше, чем без блока. Направляем силу для подъема вверх, как и без блока.

Важно! Подвижный блок меняет модуль вектора силы

Способ быстро запомнить условие для подвижного блока: Вверх тянут две веревки, а вниз – одна (см. рис 4). Блок находится в равновесии, когда

Совместное усилие двух веревок, тянущих вверх = силе одной веревки, тянущей вниз

Для подвижного блока справедливо утверждение: во сколько раз выиграем в силе, во столько же раз проиграем в расстоянии. Если получаем выигрыш в силе в 2 раза, то проигрываем в расстоянии в 2 раза. Значит, чтобы поднять такой конструкцией груз на 1 метр, нужно вытянуть 2 метра веревки

Нужно запомнить

Сила – это вектор. У любого вектора две главные характеристики: длина и направление.

Подробнее о характеристиках векторов можно прочитать здесь.

Неподвижный блок – изменяет вектор силы по направлению.

Подвижный блок – изменяет вектор силы по величине (по модулю) т. е. длину вектора.

Комбинации блоков

Если подвижный и неподвижный блоки соединить так, как показано на рисунке 7, то получим устройство, которое позволяет получить выигрыш в 2 раза. На рисунке малый блок – неподвижный, большой – подвижный. Размеры блоков для такого их соединения не имеют значения.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

А если соединить так, как показано на рисунке 8, получим выигрыш в силе в 3 раза. Если получаем выигрыш в силе в 3 раза, то в 3 раза проигрываем в расстоянии. Значит, чтобы поднять такой конструкцией груз на 1 метр, нужно протянуть 3 метра веревки.

Малый блок на рисунке – неподвижный, большой – подвижный. Соотношение размеров блоков для такого их соединения не будет иметь большого значения, если расстояние между блоками будет намного превышать размеры самих блоков.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Важно! Применяя любые комбинации блоков, мы не получим выигрыша в работе. Если выигрываем в силе, то во столько же раз проигрываем в расстоянии!

Источник

Простые механизмы.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: простые механизмы, КПД механизма.

Рычаг.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки
Рис. 1. Рычаг

Из этого соотношения следует, что рычаг даёт выигрыш в силе или в расстоянии (смотря по тому, с какой целью он используется) во столько раз, во сколько большее плечо длиннее меньшего.

Например, чтобы усилием 100 Н поднять груз весом 700 Н, нужно взять рычаг с отношением плеч 7 : 1 и положить груз на короткое плечо. Мы выиграем в силе в 7 раз, но во столько же раз проиграем в расстоянии: конец длинного плеча опишет в 7 раз большую дугу, чем конец короткого плеча (то есть груз).

Неподвижный блок.

Важной разновидностью рычага является блок — укреплённое в обойме колесо с жёлобом, по которому пропущена верёвка. В большинстве задач верёвка считается невесомой нерастяжимой нитью.

На рис. 2 изображён неподвижный блок, т. е. блок с неподвижной осью вращения (проходящей перпендикулярно плоскости рисунка через точку ).

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Зачем же тогда вообще нужен неподвижный блок? Он полезен тем, что позволяет изменить направление усилия. Обычно неподвижный блок используется как часть более сложных механизмов.

Подвижный блок.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Следовательно, подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза. При этом, однако, мы в те же два раза проигрываем в расстоянии: чтобы поднять груз на один метр, точку придётся переместить на два метра (то есть вытянуть два метра нити).

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Принципиально данное устройство ничем не отличается от подвижного блока: с его помощью мы также получаем двукратный выигрыш в силе.

Наклонная плоскость.

Как мы знаем, тяжёлую бочку проще вкатить по наклонным мосткам, чем поднимать вертикально. Мостки, таким образом, являются механизмом, который даёт выигрыш в силе.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Выберем ось так, как показано на рисунке. Поскольку груз движется без ускорения, действующие на него силы уравновешены:

Проектируем на ось :

Именно такую силу нужно приложить, что двигать груз вверх по наклонной плоскости.

Широко применяемыми разновидностями наклонной плоскости являются клин и винт.

Золотое правило механики.

Простой механизм может дать выигрыш в силе или в расстоянии, но не может дать выигрыша в работе.

т. е. той же величине, что и без использования рычага.

т. е. ту же самую, что и при вертикальном поднятии груза.

Данные факты служат проявлениями так называемого золотого правила механики.

Золотое правило механики. Ни один из простых механизмов не даёт выигрыша в работе. Во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии, и наоборот.

Золотое правило механики есть не что иное, как простой вариант закона сохранения энергии.

КПД механизма.

На практике приходится различать полезную работу A полезн, которую нужно совершить при помощи механизма в идеальных условиях отсутствия каких-либо потерь, и полную работу Aполн,
которая совершается для тех же целей в реальной ситуации.

Полная работа равна сумме:
-полезной работы;
-работы, совершённой против сил трения в различных частях механизма;
-работы, совершённой по перемещению составных элементов механизма.

Так, при подъёме груза рычагом приходится вдобавок совершать работу по преодолению силы трения в оси рычага и по перемещению самого рычага, имеющего некоторый вес.

Полная работа всегда больше полезной. Отношение полезной работы к полной называется коэффициентом полезного действия (КПД) механизма:

КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Ускорения нет, поэтому силы, действующие на груз, уравновешены:

Проектируем на ось X:

Проектируем на ось Y:

Полная работа равна произведению силы F на путь, пройденный телом вдоль поверхности наклонной плоскости:

Источник

Блоки. Золотое правило механики

Урок 39. Физика 7 класс ФГОС

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Конспект урока «Блоки. Золотое правило механики»

Блоки. Золотое правило механики

«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым,

пока ему не удастся связать воедино разрозненные

факты, им наблюдаемые»

Данная тема посвящена изучению блоков. А также рассмотрению «Золотого правила механики».

В прошлых темах говорилось о простых механизмах, таких как рычаг. Рычагэто любое твердое тело, которое может поворачиваться относительно неподвижной опоры или оси.

Рычаги бывают двух видов – рычаг первого и рычаг второго рода. Рычаг первого рода — это рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону. Рычаг второго рода — это рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу.

Вывели условие равновесия рычага, согласно которому, рычаг находится в равновесии при условии, что приложенные к нему силы обратно пропорциональны длинам их плеч.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Рассмотрели момент силыфизическую величину, равную произведению модуля силы, вращающей тело, на ее плечо. И сформулировали условие равновесия рычага через правило моментов, согласно которому, рычаг под действием двух создающих моменты сил находится в равновесии в том случае, если момент силы, вращающей рычаг по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей рычаг против часовой стрелки.

Однако, помимо рычагов, нередко для подъема грузов используется и простой блок или система блоков. Особенно часто применяются блоки на стройплощадках, в портах и на складах. Любой блок представляет собой колесо с жёлобом, укрепленное в обойме. По жёлобу блока пропускают веревку, трос или цепь.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

А какие бывают блоки? И как они преобразуют силу?

Если ось блока закреплена и при подъеме грузов она не опускается и не поднимается, то блок называется неподвижным. Такой блок можно рассматривать как равноплечный рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Дает ли такой блок выигрыш в силе? Поставим опыт. Возьмем груз весом 3 Н и подвесим к одному концу перекинутой через блок нити, а к другому прикрепим динамометр. При равномерном подъеме груза динамометр покажет силу, равную весу груза, т.е. 3 Н. Изобразим схематически силы, действующие на блок.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Это сила упругости нити, равная весу груза, сила упругости нити, равная приложенной к динамометру силе, сила тяжести, действующая на блок и сила упругости оси блока. Как видно из рисунка, плечи сил тяжести и упругости блока равны нулю. Значит и их моменты относительно оси равны нулю. Плечи сил упругости нити один и два равны между собой как радиусы блока. В состоянии равновесия блока моменты сил F1 и F2 должны быть равны. А раз равны моменты этих сил, то и сами силы равны между собой. Иными словами, прилагаемая сила равна весу груза. Таким образом, неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а лишь изменяет ее направление.

Зачем применять неподвижный блок, если выигрыша в силе нет? Ведь с таким же успехом для подъема груза можно было бы использовать любую перекладин. Можно, но проигрышно, так как придется преодолевать силу трения скольжения веревки по перекладине, которая значительно больше силы трения качения в подшипнике блока.

А может ли все-таки блок дать выигрыш в силе? Рассмотрим другой вид блока — подвижный блок. Подвижным называется блок, ось вращения которого при подъеме груза движется вместе с грузом.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Подвесим к такому блоку груз весом 6 Н. Один конец перекинутой через блок нити закрепим, а за другой будем равномерно поднимать груз при помощи динамометра. Динамометр показывает, что прилагаемая к концу веревки сила равна 3 Н, т. е. в два раза меньше веса груза. Следовательно, подвижный блок дает выигрыш в силе примерно в 2 раза. Почему?

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

На блок действуют вес груза, силы упругости нити, которые равны между собой, и сила тяжести блока. При этом, чаще всего, силой тяжести блока пренебрегают, так как она, как правило, намного меньше веса груза. При движении груза подвижный блок поворачивается относительно точки D. Следовательно, подвижный блок — это рычаг второго рода. Запишем условие равновесия для него через правило моментов. Из рисунка видно, что плечо веса груза равно радиусу блока, а плечо второй силы — двум радиусам блока.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

С учетом того, что сила F2 равна силе F, прилагаемой к концу веревки, и используя основное свойство пропорции, получим

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Таким образом, можно сделать вывод о том, что подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза.

Теперь можно сделать главный вывод о том, что при использования простых механизмов, мы можем получить выигрыш в силе.

Встает логичный вопрос: А можно ли с помощью простого механизма получить выигрыш в работе? Если прилагаемая сила меньше веса груза, то будет ли совершенная ею работа меньше работы по подъему груза без использования механизма?

Поставим опыт. Будем поднимать равномерно груз на некоторую высоту с помощью подвижного блока (силой тяжести блока и силой трения пренебрегаем).

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блокиЧем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Работа силы, приложенной к нити, равна произведению приложенной к нити силы и высоты подъема ее точки приложения.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Как видно из рисунка, высота подъема точки приложения силы в два раза больше высоты подъема груза. Работа по подъему груза равна по модулю произведению веса груза и высоты подъема груза.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Теперь сравним две работы. При этом учтем, что сила, приложенная к концу веревки примерно в два раза меньше веса груза.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Принимая этот факт во внимание, получим, что работа по подъему груза равна работе приложенной к нити силы.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Таким образом, использование подвижного блока не дает выигрыша в работе. Так как, имеется выигрыш в 2 раза в силе и проигрыш в 2 раза в пути.

Аналогично можно подойти к рассмотрению рычага. Для этого на рычаге уравновешиваются 2 разные по модулю силы, и рычаг приводится в движение.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Если измерить расстояния, пройденные большей и меньшей силами, и модули этих сил, то получим, что пути, пройденные точками приложения сил на рычаге, обратно пропорциональны силам.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Таким образом, как и в случае с подвижным блоком, можем заключить, что действуя на длинное плечо рычага, выигрываем в силе, но при этом во столько же раз проигрываем в пути. Так как произведение силы на путь есть работа, то и в этом случае, выигрыш в работе не получается.

Как показала многовековая практика, ни один механизм не дает выигрыша в работе. Это утверждение получило название «Золотое правило механики». Если с помощью какого-либо простого механизма выигрываем в силе, то во столько же раз проигрываем в пути.

Можно ли при сравнении работ ставить между ними строгое равенство? Ведь делая тот или иной вывод, вводилось условие о том, что силой тяжести, действующей на блок, и силой трения в блоке можно пренебречь? Однако трение существует. Оно присутствует во всех механизмах. И сила тяжести, которая действует на сам блок, пусть даже и небольшая, тоже есть. Даже если не происходит подъема простого механизма или его частей (как в случае неподвижного блока), необходимо прилагать дополнительную силу на приведение его в движение, т. е. на преодоление инертности механизма. Поэтому прилагаемая к механизму сила должна реально совершать большую работу, чем полезная работа по подъему груза.

Работа силы, приложенной к механизму, называется затраченной или полной работой. А полезной является работа по поднятию только самого груза.

Если рассмотреть любой механизм, то полезная работа всегда составляет лишь некоторую часть полной работы. Обозначим полезную работу как AП, а затраченную — A3. Отношение полезной работы, к работе затраченной, называется коэффициентом полезного действия механизма (сокращенно КПД).

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Коэффициент полезного действия обозначается маленькой греческой буквой h (эта) и, чаще всего, выражается в процентах. Так как полезная работа всегда меньше совершенной, то коэффициент полезного действия механизма всегда меньше 100%.

Задача 1. Какую минимальную силу нужно приложить к концу веревки для подъема мешка цемента массой 50 кг с помощью подвижного блока? На какую высоту будет поднят мешок при совершении этой силой работы в 2500 Дж?

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Задача 2. Плита массой 120 кг была равномерно поднята с помощью подвижного блока на высоту 16 м за промежуток времени, равный 40 с. Считая коэффициент полезного действия равным 80%, а массу блока — 10 кг, определите полную работу и развиваемую мощность.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Блок — это одна из разновидностей рычага, который представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. Различают подвижный и неподвижный блоки.

Неподвижный блок — это блок, ось вращения которого закреплена и при подъеме грузов она не поднимается и не опускается.

Подвижный блок — это блок, ось вращения которого поднимается и опускается вместе с грузом.

Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а лишь меняет ее направление.

Подвижный блок, если пренебречь трением и весом самого блока, дает выигрыш в силе в два раза.

«Золотое правило механики», согласно которому во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в пути.

Коэффициента полезного действия механизма показывает, какую часть от совершенной прилагаемой силой работы составляет полезная работа.

Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Смотреть картинку Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Картинка про Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки. Фото Чем отличаются подвижные и неподвижные блоки

Полезная работа всегда меньше совершенной. Коэффициент полезного действия любого механизма меньше 100%.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *