Робота і прості механізми

У фізиці простими механізмами називають пристосуванні типи важелів або гвинтів. Вони призначені для того, щоб зменшити необхідне для виробництва роботи зусилля людини і використовувати це зусилля найбільш ефективно. Часто кілька простих механізмів з’єднують разом. У результаті виходять більш складні механізми – свердла, годинник. Колесо – одне з найважливіших винаходів людства. На ньому заснована дія багатьох механізмів. 

Робота і потужність

Робота – фізичний термін, який застосовується при розгляді русі тіла під впливом сили. Робота проводиться тільки тоді, коли є пересування тіла і напрямку дії сили. Тяглова сила биків і зусилля людини змушують плуг рухатися, значить, проводитися робота. Робота – це передача енергії від одного тіла до іншого. Як і енергія, робота вимірюється в джоулях (Дж). 1 Дж дорівнює роботі (і витраченої енергії), виробленої при пересуванні тіла на 1 метр силою в 1 Н. Людина, штовхає ящик на З метра, прикладаючи силу в 100 Н. Значить, пророблена робота і в 300 Дж.

Потужність – це швидкість, з якою проводиться робота (або передається енергія). Одиниця потужності – ват (Вт), названа і честь Джеймса Уатта. Щоб обчислити потужність, потрібно роботу розділити на витрачений на неї час. Якщо ми хочемо пересунути цей ящик не за 2 хвилини, а за одну, то нам буде потрібно вдвічі більша потужність.

Щоб зрушити тіло з місця, необхідно подолати відому силу, звану навантаженням; часто це просто вага тіла. Прості механізми допомагають людині більш ефективно використовувати зусилля. Навантаження дорівнює силі, що розвивається викруткою; вона більше, ніж витрачене людиною зусилля. Зусилля – це сила, що повертає рукоятку. Розділивши навантаження на зусилля, ми отримаємо відношення, зване виграшем в силі. Стискаючи ручки щипців, ми прикладаємо до них силу в 1 Н. При цьому нам необхідно подолати навантажуючи в 4 Н, щоб розколоти горіх. Значить, виграш у силі дорівнює 4:1. Якщо виграш у силі дорівнює 4:1, це означає, що сила, що прикладається механізмом до об’єкта, вчетверо перевищує зусилля людини. Такі механізми називаються підсилювачами.

Важелі

Важіль – це стрижень, що повертається навколо нерухомої точки опори. Важіль полегшує маніпуляції з важкими вантажами. Типи важелів розрізняються становищем точки опори по відношенню до місця прикладання зусилля і навантаження. У важелях першого типу точка опори знаходиться між точками прикладання зусилля і навантаження. У важелях другого типу група знаходиться між точкою прикладання зусилля і точкою опори. Зусилля прикладається між навантаженням і точкою опори. Чим далі точка опори від місця зусилля, тим легше працювати з важелем. Природно, частіше використовуються більш довгі важелі.

Колесо

Коли колесо повертається, то на його вісь діє велика сила, ніж на обід. Цей ефект використовується для отримання виграшу в силі, наприклад в рульовому колесі. Чим більше кермо, тим легше повертається його вісь. Коли колесо фонографа повертається, на вісь впливає сила, достатня для дії механізму. При повороті осі колесо переводить обертальний рух в прямолінійний рух, завдяки чому з його допомогою можливе переміщення вантажів. Точки обода колеса проходять більшу відстань, ніж вісь, тому що діаметр колеса більше діаметра осі. Коліщатка роликових ковзанів повертаються навколо своїх осей, і завдяки цьому черевик рухається прямолінійно.

Зубчаста передача використовується в різних складних машинах, від автомобіля до годин, для зміни обертаючої сили і швидкості обертання. У такій передачі змінюється напрямок і величина обертаючого зусилля. Для зубчастої передачі необхідні два і більше зубчастих колеса; зубці одного точно входять у пази іншого. Тоді обертання одного колеса викликає обертання іншого. Велика шестерня змушує маленьку обертатися швидше, і навпаки. Дія механічних годинників заснована на складній системі взаємопов’язаних зубчастих коліс.

Гвинт – це стрижень з різьбленням, тобто його можна розглядати як похилу площину, “надягнуту” на циліндр. Стержень – це циліндр, а різьблення – похила площина. Щоб занурити штопор в пробку, його доводиться повернути, багато разів, але це все ж легше, ніж встромити його без обертання. Обертаюча сила завдяки різьбленню перетворюється на силу, що діє уздовж осі гвинта. Ця сила змушує гвинт занурюватися в перешкоду. Спіральні сходи – це той же гвинт. Йти по ним довго, проте дертися вертикально вгору ще важче.

Блок полегшує підйом важких вантажів. На ньому ґрунтується дія ліфтів і кранів. Вантаж зміцнюють на кінці каната, перекинутого через колесо (або систему коліс) з жолобком на ободі. Якщо потягнути інший кінець каната, вантаж почне підніматися. Щоб підняти тіло за допомогою блоку, ви повинні тягнути вниз: при цьому вага нашого тіла допомагає процесу. Чим більше коліс входить в блок, тим легше піднімати вантаж, так як його вага розподіляється по більшій ділянці каната. Такий кран може підняти вчетверо більший вантаж, ніж одноколісний блок, так як вага розподілена по чотирьох ділянках каната.

Ось як працює важіль першого типу. Покладіть на олівець плоску дерев’яну або металеву смужку, наприклад міцну лінійку. На один кінець лінійки покладіть книгу. Натисніть на лінійку з іншого боку, і книга підніметься. Спробуйте перемістити олівець під лінійкою, і ви побачите, що чим довше важіль, тим легше піднімати вантаж.

Використання простих механізмів

Прості механізми використовуються найрізноманітнішими способами в складі більш складних машин. У нашому тілі, як і в тілах тварин, є закладені природою прості механізми. Архимедів гвинт – найдавніший механізм для перекачування води з річок. Вода йде вгору по нахилам при обертанні гвинта. Пропелер – найпростіша форма гвинта. Він змушує корабель рухатися у воді, а літак – у повітрі. Віяло – це важіль третього типу. Коли ви обмахуйте віялом, ваше зап’ястя працює як точка опори.

Похила площина

Прикладами похилих площин можуть служити скат або схил пагорба. По похилій площині піднімати вантажі легше, ніж вертикально, оскільки вантаж проходить більшу відстань, отже, для виробництва тієї ж самої роботи потрібна менша сила. Похила площина в 8 разів довше вертикальної лінії, значить, на підйом вантажу необхідна сила в 8 разів менше. Будівельники єгипетських пірамід, можливо, використовували спіралеподібні похилі площини для підйому колосальних кам’яних блоків на вершину пірамід. Висота найбільших пірамід близько 146 метрів.

ПОДІЛИТИСЯ: