Сообщение на тему простые механизмы рычаг
Обновлено: 02.07.2024
С самых давних пор человек применяет различные вспомогательные приспособления для облегчения своего труда. Как часто, когда нам надо сдвинуть с места очень тяжелый предмет, мы берем себе в помощники палку или шест. Это пример простого механизма – рычага.
Применение простых механизмов
Видов простых механизмов очень много. Это и рычаг, и блок, и клин, и многие другие. Простыми механизмами в физике называют приспособления, служащие для преобразования силы. Наклонная плоскость, которая помогает вкатывать или втаскивать тяжелые предметы наверх – это тоже простой механизм. Применение простых механизмов очень распространено как в производстве, так и в быту. Чаще всего простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить в несколько раз силу, действующую на тело.
Рычаг в физике - простой механизм
Один из самых простых и распространенных механизмов, который изучают в физике еще в седьмом классе – рычаг. Рычагом в физике называют твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры.
Различают два вида рычагов. У рычага первого рода точка опоры находится между линиями действия приложенных сил. У рычага второго рода точка опоры расположена по одну сторону от них. То есть, если мы пытаемся при помощи лома сдвинуть с места тяжелый предмет, то рычаг первого рода – это ситуация, когда мы подкладываем брусок под лом, надавливая на свободный конец лома вниз. Неподвижной опорой у нас в данном случае будет являться брусок, а приложенные силы располагаются по обе стороны от него. А рычаг второго рода – это когда мы, подсунув край лома под тяжесть, тянем лом вверх, пытаясь таким образом перевернуть предмет. Здесь точка опоры находится в месте упора лома о землю, а приложенные силы расположены по одну сторону от точки опоры.
Закон равновесия сил на рычаге
Используя рычаг, мы можем получить выигрыш в силе и поднять неподъемный голыми руками груз. Расстояние от точки опоры до точки приложения силы называют плечом силы. Причем, можно рассчитать равновесие сил на рычаге по следующей формуле:
F1 / F2 = l2 / l1,
где F1 и F2 – силы, действующие на рычаг,
а l2 и l1 – плечи этих сил.
Это и есть закон равновесия рычага, который гласит: рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам этих сил. Этот закон был установлен Архимедом еще в третьем веке до нашей эры. Из него следует, что меньшей силой можно уравновесить большую. Для этого необходимо, чтобы плечо меньшей силы было больше плеча большей силы. А выигрыш в силе, получаемый с помощью рычага, определяется отношением плеч приложенных сил.
Начав использоваться с глубокой древности, рычаг повсеместно применяется и в наши дни, как на производстве, например, подъемные краны, так и в быту, например, ножницы, весы и так далее.
Рычаг - один из наиболее распространенных и простых типов механизмов в мире, присутствующий как в природе, так и в рукотворном мире, созданном человеком.
Тело человека как рычаг
К примеру, скелет и опорно-двигательная система человека или любого животного состоит из десятков и сотен рычагов. Взглянем на локтевой сустав. Лучевая и плечевая кости соединятся вместе хрящом, к ним так же присоединяются мышцы бицепса и трицепса. Вот мы и получаем простейшие механизмы рычага.
Если вы держите в руке гантель весом в 3 кг, какое усилие при этом развивает ваша мышца? Место соединения кости и мышцы делит кость в соотношении 1 к 8, следовательно, мышца развивает усилие в 24 кг! Получается, мы сильнее самих себя. Но рычажная система нашего скелета не позволяет нам в полной мере использовать нашу силу.
Наглядный пример более удачного применения преимуществ рычага в скелетно-мышечной системе организма обратные задние колени у многих животных (все виды кошек, лошади, и т.д.).
Их кости длиннее наших, а особое устройство их задних ног позволяет им гораздо эффективнее использовать силу своих мышц. Да, несомненно, их мышцы гораздо сильнее чем у нас, но и вес их больше на порядок.
Раз уж мы вспомнили о прыжках в высоту, рассмотрим варианты применения рычага, которые придуман человеком. Прыжки в высоту с шестом очень наглядный пример.
При помощи рычага длинной около трех метров (длинна шеста для прыжков в высоту около пяти метров, следовательно, длинное плечо рычага, начинающееся в месте перегиба шеста в момент прыжка, составляет около трех метров) и правильного приложения усилия, спортсмен взлетает на головокружительную высоту до шести метров.
Рычаги так же распространены и в быту. Вам было бы гораздо сложнее открыть туго завинченный водопроводный кран, если бы у него не было ручки в 3-5 см, которая представляет собой маленький, но очень эффективный рычаг.
То же самое относится к гаечному ключу, которым вы откручиваете или закручиваете болт или гайку. Чем длиннее ключ, тем легче вам будет открутить эту гайку, или наоборот, тем туже вы сможете её затянуть.
При работе с особо крупными и тяжелыми болтами и гайками, например при ремонте различных механизмов, автомобилей, станков, используют гаечные ключи с рукояткой до метра.
Другой яркий пример рычага в повседневной жизни самая обычная дверь. Попробуйте открыть дверь, толкая её возле крепления петель. Дверь будет поддаваться очень тяжело. Но чем дальше от дверных петель будет располагаться точка приложения усилия, тем легче вам будет открыть дверь.
Рычаги в технике
Естественно, рычаги так же повсеместно распространены и в технике. Самый очевидный пример рычаг переключения коробки передач в автомобиле. Короткое плечо рычага та его часть, что вы видите в салоне.
Длинное плечо рычага скрыто под днищем автомобиля, и длиннее короткого примерно в два раза. Когда вы переставляете рычаг из одного положения в другое, длинное плечо в коробке передач переключает соответствующие механизмы.
Здесь так же очень наглядно можно увидеть, как длина плеча рычага, диапазон его хода и сила, необходимая для его сдвига, соотносятся друг с другом.
Например, в спортивных автомобилях, для более быстрого переключения передач, рычаг обычно устанавливают короткий, и диапазон его хода так же делают коротким.
Однако, в этом случае водителю необходимо прилагать больше усилий, чтобы переключить передачу. Напротив, в большегрузных автомобилях, где механизмы сами по себе тяжелее, рычаг делают длиннее, и диапазон его хода так же длиннее, чем в легковом автомобиле.
Таким образом, мы можем убедиться в том, что механизм рычага очень широко распространен как в природе, так и в нашем повседневном быту, и в различных механизмах.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
технологическая карта открытого урока по теме "Рычаги"
Этот урок проводился с применением ИКТ. На столах учащихся компьютеры с интерактивным приложением "Интерактивная физика". Учащиеся наблюдают и проводям эксперимент с интерактивными моделями. Вначале у.
Урок-путешествие В"гости, к дедушке" проводится по теме "Рычаги в технике, быту и природе" по физике в 7 классе. Мотивация изучения темы и актуальность темы происходит при инсценировке русской народно.
Задания для проверки темы "Рычаги и блоки" (7 класс)
В документе представлены два варианта заданий для проверки темы "Рычаги и блоки". В каждом варианте 4 задания, два из которых - задачи.
Открытый урок в 7 классе по теме" Рычаг"
Представлена презентация к открытому уроку в 7 классе по теме " Рычаг".
Тест физика 7 класс по темам "Рычаг. Блок. "Золотое" правило механики. Равновесие тел""
Вопросы теста взяты из ФГОС УМК О.И.Чеботарева Тесты по физике. К учебнику А.В. Перышкина "Физика 7 класс".
Человек стал использовать рычаги еще в доисторическое время. Однако первое летописное упоминание об устройстве дал Архимед в III веке до н. э. Его закон равновесия гласил:
Рычаг — это простой механизм, который способен меньшей силой уравновесить большую. Он имеет вид твердого тела, вращающееся вокруг неподвижной опоры.
Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече.
Рычаг первого и второго рода
Существуют несколько типов рычагов.
Рычаги первого рода — это такие приспособления, в которых точка опоры всегда располагается между точкой усилия и нагрузкой. Чтобы понять, как это работает, можно представить гвоздодер или весы.
Рычаги второго рода — это такие механизмы, в которых на одном конце рычага находится точка опоры, а к другому прикладывается усилие. Груз, который необходимо поднять, располагается между точкой опоры и усилием.
За образец рычагов второго рода можно взять тачку для перевозки грузов. Груз находится между рукоятками тачки и колесом.
В наше время рычаги повсеместно используются во многих сферах жизни. Можно сказать, что почти любой механизм, производящий механическое движение в том или ином виде использует принцип действия рычага.
Рычаги в технике
Рычаги широко применимы в технике. Наиболее очевидный пример — рычаг переключения коробки передач в машине. Часть, что видна в салоне автомобиля, это короткое плечо рычага. Длинное плечо скрыто под днищем авто, оно длиннее короткого в два раза. Управляя коротким плечом рычага в машине, длинным плечом мы переключаем соответствующие механизмы.
Длина плеча рычага, диапазон его хода и сила, направленная на его сдвиг, взаимодействуют друг с другом.
Например, в спортивных автокарах, для более оперативного переключения передач, обычно устанавливают короткий рычаг, и уменьшают диапазон его хода. Однако в этот момент водителю необходимо приложить больше силы, чтобы переключить передачу.
В большегрузных автомобилях, где все механизмы сами по себе тяжелее, рычаг делают длиннее, и диапазон его хода так же длиннее, чтобы было проще управлять агрегатом.
Рычаги различного вида имеются у многих девайсов: педали или ручной тормоз велосипеда, ручка швейной машины, клавиши пианино — все это примеры рычагов.
Существует масса примеров рычагов на стройке: лом, экскаватор, подъемный кран. Строители используют такие приборы, как: кусачки, ножницы для резки бумаги или металла.
Примером рычага, дающего минус в силе, но плюс в расстоянии, является весло. Чем длиннее часть весла погружаемого в воду, тем больше его радиус вращения и скорость движения.
Рычаги в быту
Рычаги очень часто можно встретить в быту. Было бы необычайно сложно открыть туго завинченный водопроводный кран, если бы у него не было небольшой, но необходимой ручки, представляющей собой рычаг.
В качестве примера можно также рассмотреть гаечный ключ, предназначенный для откручивания или закручивания болта или гайки. Чем длиннее ключ, тем проще будет открутить гайку, или наоборот.
Дверь — это отличный пример рычага в будничной жизни. Практически невозможно открыть дверь, толкая ее возле крепления петель. Дверь будет открываться с трудом. Но чем дальше от дверных петель будет располагаться точка направления силы, тем легче будет распахнуть дверь.
С детства знакомое развлечение, качели для двоих, действуют тоже по принципу рычага. Есть неподвижная ось вращения, вокруг которой качели вращаются под действием сил тяжести детей. Чтобы перевесить своего друга, сидящего на противоположном сидении, поднять его, ребенок садится на самый край качели. Если он сядет ближе к опоре качели, может не перевесить.
Примеры рычагов в живой природе
Тело человека как рычаг
Опорно-двигательная система любого живого существа состоит из множества рычагов. Например, локтевой сустав. Лучевая и плечевая кости соединяются вместе хрящом. К ним, в свою очередь, присоединяются мышцы бицепса и трицепса. Место примыкания лучевой и плечевой костей — это своеобразная точка опоры. Таким образом образуется простейший механизм рычага.
Примеры рычагов в устройстве других живых существ
Наглядный пример применения преимуществ рычага в скелетно-мышечной системе живого организма — обратные задние колени у многих представителей животного мира (кошки, лошади и т.д.).
Их кости длиннее наших, они намного эффективнее использовать силу своих мышц, так как их задние ноги имеют специальное устройство. Хоть их мышцы сильнее чем у нас, их вес на порядок больше.
Меньшие по размерам существа также имеют в своем внутреннем устройстве рычаги: например, суставы насекомых. К тому же, клешни рака или краба действуют тоже как рычаг. Механизм клешней схож с принципом действия щипцов.
Мы называем рычагом любое твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Рычаги позволяют меньшей силой уравновесить большую силу, что дает выигрыш в силе или в пути.
Эти простые механизмы имеют огромное значение в нашей жизни. Правила рычага говорит о том, что рычаг будет находиться в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил ($\frac = \frac$).
Данное правило лежит в основе инструментов и устройств, которые мы применяем в быту, они часто используются в технике и встречаются в природе.
Рычаги в технике и быту
Рассмотрим простой и привычный для нас инструмент — ножницы (рисунок 1).
Рисунок 1. Ножницы как рычаг.
Ножницы — это рычаг, ось вращения которого проходит через винт, соединяющий обе половины ножниц. Сила $F_1$ — это сила, с которой мы действуем на ножницы, когда что-то разрезаем (мускульная сила руки).
Противодействующая сила $F_2$ — это сила сопротивления разрезаемого материала. На рисунке 1 изображены канцелярские ножницы для резки бумаги. Они имеют длинные лезвия и большие ручки. Резать бумагу достаточно легко, а длинным лезвием удобно разрезать бумагу по прямой линии.
Но ножницы применяются для резки и других материалов, не только бумаги. Например, на рисунке 2 изображены ножницы для резки листового металла.
Рисунок 2. Ножницы для резки металла.
У таких ножниц ручки намного длиннее лезвий. Резать металл сложнее, чем бумагу — он имеет большую силу сопротивления. Поэтому, чтобы уравновесить эту силу, увеличили плечо действующей силы (с которой мы нажимаем на ножницы). Плечо действующей силы здесь — это длина ручек.
Для перекусывания проволоки используют кусачки (рисунок 3, 4).
Рисунок 3. Кусачки. Рисунок 4. Кусачки как рычаг.
Принцип устройства такой же как у ножниц, но здесь еще больше разница между длиной ручек и расстоянием режущей части от оси вращения. Кусачками также можно разрезать провода, некоторые металлы, пластмассу.
Используя лопату, мы используем принцип рычага (рисунок 5). Воткнув лопату в землю, удобно надавить ближе к концу черенка — так проще поднять ком земли. Таким образом мы максимально увеличим плечо рычага и приложим меньше усилий. В данном случае силы приложены по одну сторону от точки опоры О.
Рисунок 5. Лопата как рычаг.
Действие рычажных весов основано на принципе рычага. Учебные рычажные весы (рисунок 5) действуют как равноплечий рычаг. Это значит, что, когда весы находятся в равновесии, равные силы действую на равные плечи рычага. В таком случае нет выигрыша в силе. Вес гирь на одном чаше будет равен весу гирь на другой.
Рисунок 6. Учебные рычажные весы.
Различные рычаги имеются у многих машин. Например, педали велосипеда, клавиши пианино, педали различных автомобилей. На рисунке 7 изображена автомобильная педаль. К педали приложены две силы: $F_1$ — сила, с которой человек давит ногой на педаль, и $F_2$ — сила упругости натянутого троса, прикрепленного к педали.
Рисунок 7. Автомобильная педаль как рычаг.
Ось вращения этого рычага проходит через точку O. Если мы продолжим вектор $\vec F_1$ линией и опустим на эту линию перпендикуляр из точки O, то получим плечо силы $F_1$ (отрезок OA). Опустим перпендикуляр из точки O на линию действия силы $F_2$. Получился отрезок OB — плечо силы $F_2$.
Рычаги в природе
Большое количество рычагов присутствует в разных частях тела животных и человека.
Например, у человека кости рук и ног, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев — рычаги (рисунок 8).
Рисунок 8. Рычаги в частях тела человека.
Когда мы поднимаем рукой какой-то груз, наши мышцы сокращаются, и рука сгибается в локте. Действующая сила — сила наших мышц, а противодействующая сила — вес поднимаемого предмета.
Устройство задних ног многих животных использует принцип рычага. Благодаря такому строению животные могут эффективно использовать силу своих мышц. У представителей кошачьих рычагами являются почти все подвижные кости (рисунок 9). Даже обычная домашняя кошка может легко совершать прыжки на большую высоту.
Рисунок 9. Строение скелета кошки.
Створки раковины у двустворчатых моллюсков являются рычагом (рисунок 10).
Рисунок 10. Двустворчатый моллюск.
Также примерами рычагов в природе являются клешни у крабов и других членистоногих, подвижные когти у кошек, ствол дерева и его корень.
Читайте также: