Простые механизмы находят широчайшее применение в жизни и деятельности человека. Рассмотрим особенности их работы более детально.
Простые механизмы – это механические приспособления, служащие для преобразования вектора силы по величине и(или) направлению.
К простым механизмам в механике принято относить два важнейших приспособления:
- наклонная плоскость и ее разновидности – клин, винт;
- рычаг и его разновидности – ворот, блок.
Оба этих простых механизма способны изменять направление вектора приложенной силы и даже менять его модуль.
Кроме того, многие авторы к простым механизмам также относят колесо и поршень. Колесо не меняет направление вектора силы, однако, оно существенно уменьшает потери на перемещение тела по ровной поверхности. Поршень же преобразует энергию газа или жидкости в механическую энергию перемещения.
Действие простых механизмов
Как было указано выше, простые механизмы предназначены для преобразования вектора силы. Но, делают они это по-разному.
Наклонная плоскость
Действие наклонной плоскости заключается в том, что при движении вдоль нее, возникает сила реакции опоры, перпендикулярная этой плоскости, которая, как правило, больше силы, продвигающей тело.
Без учета трения выигрыш в силе $alpha$ при равной высоте подъема $h$ будет пропорционален длине наклонной плоскости $L$:
$$alpha = {Lover h}$$
Для компенсации силы тяжести при вертикальном подъеме тела массой 1кг требуется прилагать усилие $F=mg=9.8Н$. Однако, если на каждый метр подъема использовать наклонную плоскость длиной 10м, то потребуется усилие:
$$F’ = {Fover alpha}= {Fhover L}=0.98 Н$$
Винт – это та же наклонная плоскость, свернутая вокруг вертикальной оси, что позволяет значительно уменьшить ее габариты.
Рычаг
Рычаг – это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры, и имеет две разные точки приложения сил. Отрезки, соединяющие точки приложения сил с опорой, называются плечами рычага.
Если длины плеч рычага равны $l_1$ и $l_2$, а силы, приложенные к ним, соответственно равны $F_1$ и $F_2$, то условие равновесия рычага выражается формулой, которую можно использовать для определения неизвестной силы:
$${F_1 over F_2} ={l_2 over l_1}$$
То есть, если первое плечо будет иметь длину 3м, а второе 1м, то с помощью силы 10Н, приложенной к первому плечу можно создать на втором плечо усилие:
$$F_2 =F_1{l_2 over l_1}=10{3 over 1}=30Н$$
Блок – это, фактически, такой же рычаг с фиксированными длинами плеч. Для неподвижного блока плечи равны, для подвижного – одно плечо вдвое длиннее второго.
Простые механизмы используются не только человеком, но и Природой. Клювы многих птиц имеют форму клина, позволяющего добывать насекомых, раздвигая относительно небольшим усилием плотные древесные волокна. Примерами рычага являются конечности позвоночных. За счет свойств рычага совсем небольшое сокращение мышцы животного преобразуется в значительный размах конечности.
Что мы узнали?
Простые механизмы – это приспособления, служащие для преобразования вектора силы. К простым механизмам относится наклонная плоскость (клин, винт) и рычаг (ворот, блок). Широкое применение простых механизмов обуславливается их простотой и эффективностью.
