Подвижный и неподвижный блок. Блоки как простые механизмы II. Новый материал
Эти два урока проведены по учебнику С.В. Громова, Н.А. Родина Физика 7 класс. М. Просвещение 2000 г.
Особенность уроков в том, что в них применяется технология программированного опроса для классов с наполняемостью менее 15 человек. Технология заключается в предложении нескольких вариантов ответов на вопрос. Благодаря этому, удается одновременно повторить предыдущий материал, выделить основное в пройденной теме, проконтролировать усвоение материала всеми учениками класса. Как показывает практика, на опрос всего класса нужно не более 17 минут. Для молодых учителей немаловажным моментом будет быстрое развитие навыков определения уровня усвоения знаний учащимися. Последующие контрольные и самостоятельные работы неизменно подтверждают оценки, полученные учениками во время программированного опроса.
Весь опрос происходит устно. Дети показывают ответы на карточках или на пальцах, для чего необходимо, чтобы количество ответов не превышало пяти. Результаты опроса выставляются на доске сразу же в виде плюсов, минусов и ноликов (есть возможность отказаться от ответа). Такая форма опроса позволяет снять напряженность при опросе, провести его беспристрастно, гласно и одновременно психологически готовит учащегося к тестам.
У программированного опроса много и недостатков. Чтобы свести их на нет, необходимо разумное чередование его с другими формами контроля знаний.
Урок №1. Блоки.Цель урока: научить детей находить выигрыш в силе, даваемый системой блоков.
Оборудование: блоки, нитки, штативы, динамометры.
Ход урока:
1. Организационный момент
II. Новый материал:
Учителем предлагается проблемный вопрос:
В книге Даниеля Дефо "Робинзон Крузо" рассказывается о человеке, попавшем на необитаемый остров и сумевшем выжить в суровых условиях. Там рассказывается, что однажды Робинзон Крузо решил построить лодку, чтобы уплыть с острова. Но построил лодку он вдалеке от воды. И лодка была очень тяжелой, чтобы можно было ее поднять. Давайте пофантазируем, как бы Вы доставили тяжелую лодку (скажем 1 т. весом) до воды (на расстоянии 1 км).
Решения учащихся вкратце записывают на доске.
Обычно предлагают прорыть канал, двигать лодку рычагом. Но в самом произведении рассказывается, что Робинзон Крузо начал рыть канал, но рассчитал, что для его завершения ему понадобиться вся его жизнь. А рычаг, если рассчитать, окажется таким толстым, что не хватит сил держать его в руках.
Хорошо, если кто-то предложит сделать лебедку, применить полиспаст, блоки или ворот. Пусть этот ученик расскажет, что это за механизм и зачем нужен.
После рассказа приступают к изучению нового материала. Если никто из учеников не предлагает решения, учитель рассказывает сам.
Блоки бывают двух видов:
смотри рис 54 (стр. 55)
Смотри рис 55 (стр. 55)
Неподвижный блок не дает выигрыша в силе. Он только меняет направление приложения силы. А подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза. Давайте посмотрим подробнее:
(Чтение материала §22 вывод формулы F=P/2;)
Для того, чтобы сложить действие нескольких блоков применяют устройство, называемое полиспастом (от греческого poly - "много" spao - "тяну").
Чтобы поднять нижний блок, нужно подтянуть две верёвки, то есть проиграть в расстоянии в 2 раза, следовательно, выигрыш в силе данного полиспаста равен 2.
Чтобы поднять нижний блок, нужно сократить 6 верёвок, следовательно, выигрыш в силе данного полиспаста равен 6
III. Закрепление нового материала.
Тренировочный опрос:
1. Сколько веревок сокращаются на рисунке?
- Одна,
- Четыре,
- Пять,
- Шесть,
- Другой ответ.
2. Мальчик может поднять 20 кг. А нужно поднять 100. Сколько блоков ему надо, чтобы сделать полиспаст?
- Четыре,
- Пять,
- Восемь,
- Десять,
- Другой ответ.
3. Как Вы думаете, можно ли получить с помощью блоков выигрыш в силе в нечетное число раз, например, 3 или 5 раз?
Ответ: Да, для этого необходимо, чтобы веревка три раза соединяла груз с верхним блоком. Примерное решение на рисунке:
III.1. Решение задачи 71.
III.2. Решение задачи Робинзона Крузо.
Для передвижения лодки достаточно было собрать полиспаст или лебедку (механизм, который мы будем изучать на следующем уроке).
Венгерские почитатели Даниеля Дефо даже провели такой эксперимент. Один человек передвинул бетонную плиту самодельным вырезанным из дерева полиспастом на 100 м.
III.3. Практическая работа:
Собрать из блоков и ниток сначала неподвижный блок, затем подвижный блок и простейший полиспаст. Провести измерения выигрыша в силе во всех трех случаях динамометром.
IV. Заключительная часть
Итог урока, объяснение домашнего задания
Домашнее задание: §22; задача 72
Урок №2. Ворот. Лебедка.Цели урока: рассмотреть оставшиеся простые механизмы - лебедку, ворот и наклонную плоскость; ознакомиться со способами нахождения выигрыша в силе, даваемой лебедкой и наклонной плоскостью.
Оборудование: модель ворота, большой шуруп или винт, линейка.
Ход урока:
I. Организационный момент
II. Программированный опрос по предыдущему материалу:
1. Какой блок не дает выигрыша в силе?
- Подвижный,
- Неподвижный,
- Никакой.
2. Можно ли с помощью блоков получить выигрыш в силе в 3 раза?
3. Сколько веревок сокращаются на рисунке?
- Одна,
- Четыре,
- Пять,
- Шесть,
- Другой ответ.
4. Мальчик может поднять 25 кг. А нужно поднять 100. Сколько блоков ему надо, чтобы сделать полиспаст?
- Четыре,
- Пять,
- Восемь,
- Десять,
- Другой ответ.
5. Плотник, ремонтируя рамы, не мог найти крепкой веревки. Ему попалась бечевка, которая на разрыв выдерживала 70 кг. Сам плотник весил 70 кг, а корзина, в которой он поднимался - 30 кг. Тогда он взял и собрал механизм, изображенный на рисунке 1. Выдержит ли веревка?
6. После работы плотник собрался пообедать и прицепил веревку к раме, чтобы освободить руки, так как показано на рисунке 2. Выдержит ли веревка?
III. Новый материал:
Запись терминов в тетрадь.
Ворот состоит из цилиндра и прикрепленной к нему рукоятки (показать модель ворота). Чаще всего применяется для подъема воды из колодцев (рис 60 стр. 57).
Лебедка - сочетание ворота с зубчатыми колесами разного диаметра. Это более совершенный механизм. При его использовании можно достичь наибольших сил.
Слово учителя. Легенда об Архимеде.
Однажды Архимед пришел в один город, где местный тиран был наслышан о чудесах, творимых великим механиком. Он попросил Архимеда продемонстрировать какое-либо чудо. "Хорошо, - сказал Архимед, - но пусть мне помогут кузнецы". Он сделал заказ, и через два дня, когда машина была готова, на глазах изумленной публики Архимед в одиночку, сидя на песке и лениво вращая рукоятку, вытащил из воды корабль, который еле - еле вытаскивали 300 человек. Сейчас историки думают, что именно тогда впервые была применена лебедка. Дело в том, что при использовании полиспаста, действия отдельных блоков складываются, и для того, чтобы достичь 300 кратного увеличения силы, необходимо 150 блоков. А при использовании лебедки действия отдельных зубчатых колес умножаются, то есть при соединении двух зубчатых колес, одно из которых дает выигрыш в силе в 5 раз и другое тоже в 5 раз, получаем общий выигрыш в 25 раз. А если еще раз применить такую же передачу, то общий выигрыш достигнет 125 раз. (А не 15, как при простом сложении).
Таким образом, для создания данной лебедки достаточно было сделать механизм, похожий на устройство (рис. 61 стр. 58). При тех размерах, которые указаны, верхний ворот дает выигрыш в силе в 12 раз, система зубчатых колес в 10 раз, а второй ворот в 5 раз. Лебедка дает 60 кратный выигрыш в силе.
Наклонная плоскость - простой механизм, который знаком многим из вас. Применяется для подъема тяжелых тел, например бочек в машину. Во сколько раз мы выигрываем в силе при подъеме, во столько же раз мы проигрываем в расстоянии. Например, мы можем катить бочку весом в 50 кг. А нужно поднять 300 кг на 1 метр в высоту. Какой длины доску нужно взять?
Решаем поставленную задачу:
Так как мы должны выиграть в силе в 6 раз, следовательно, проигрыш в расстоянии должен быть тоже как минимум в 6 раз. Значит, доска должна иметь длину не менее 6 метров.
В качестве примеров наклонной плоскости могут служить гайки и винты, клинья и множество режущих и колющих инструментов (игла, шило, гвоздь, стамеска, долото, ножницы, кусачки, клещи, нож, бритва, резец, топор, колун, рубанок, фуганок, отборник, фреза, лопата, тяпка, коса, серп, вилы и т. д.), рабочие органы машин для обработки почвы (плуги, бороны, кусторезы, культиваторы, бульдозеры, и др.)
Рассмотрим
в качестве примера "глухарь". Это глухой
клин в молотке, который удерживает рукоятку.
Раздвигая волокна дерева, этот клин подобно
прессу раздвигает рукоятку в отверстии и надежно
фиксирует ее.
А как быть, если нам не нужно, чтобы гвоздь раздвигал волокна. Например, нужно забить гвоздь в тонкую дощечку. Если туда забить обычный гвоздь, она просто расколется. Для этого плотники специально тупят гвозди и забивают уже тупые. Тогда гвоздь просто сминает волокна древесины перед собой, но не раздвигает их как клин.
В древние века многие простые механизмы использовались в военных целях. Это баллисты и катапульты (рисунок 62, 63). Как вы думаете, как они действуют?
Ответы учеников обсуждаем всем классом.
Особенно большим количеством изобретений прославился Архимед. (При наличии свободного времени учитель рассказывает об изобретениях Архимеда).
IV. Закрепление нового материала
Практическая работа:
1) Возьмите большой шуруп или винт и при помощи миллиметровой линейки измерьте длину окружности его головки. Для этого нужно приложить головку винта к делениям миллиметровой линейки и катить ее вдоль делений.
Длина окружности головки винта l = 2R = ….мм
2) Возьмите теперь измерительный циркуль и миллиметровую линейку и измерьте при помощи их расстояние между двумя соседними выступами винтовой нарезки. Это расстояние называется шагом или ходом винта.
Шаг винта h = … мм
3) Разделите теперь длину окружности головки на шаг винта, и вы узнаете, во сколько раз мы выигрываем в силе, пользуясь этим винтом.
V. Дополнительное задание: "Дурацкие" тали.
Попробуйте отгадать, во сколько раз мы выигрываем в силе при использовании следующих систем блоков.
Для решения второй и третьей задач недостаточно ответить на вопрос "Сколько отрезков веревки сократятся, если тянуть "до упора"? Задачи требуют нестандартного подхода. Например, решим вторую задачу. Пусть человек тянет с силой в 10 Н. Эта сила уравновешивается натяжением каната 2. Значит, на второй веревке сила тяги 20 Н. Но она уравновешивается натяжением каната 3. Значит на третьей веревке сила тяги 40 Н. А на четвертой 80 Н. Следовательно выигрыш в силе 8 раз.
Темы кодификатора ЕГЭ: простые механизмы, КПД механизма.
Механизм
- это приспособление для преобразования силы (её увеличения или уменьшения).
Простые механизмы
- это рычаг и наклонная плоскость.
Рычаг.
Рычаг - это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси. На рис. 1 ) изображён рычаг с осью вращения . К концам рычага (точкам и ) приложены силы и . Плечи этих сил равны соответственно и .
Условие равновесия рычага даётся правилом моментов: , откуда
 |
| 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).
Примерами рычага, дающего выигрыш в силе, являются лопата, ножницы, плоскогубцы. Весло гребца - это рычаг, дающий выигрыш в расстоянии. А обычные рычажные весы являются равноплечим рычагом, не дающим выигрыша ни в расстоянии, ни в силе (в противном случае их можно использовать для обвешивания покупателей).
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 ).
 |
На правом конце нити в точке закреплён груз весом . Напомним, что вес тела - это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. В данном случае вес прило жен к точке , в которой груз крепится к нити.
К левому концу нити в точке приложена сила .
Плечо силы равно , где - радиус блока. Плечо веса равно . Значит, неподвижный блок является равноплечим рычагом и потому не даёт выигрыша ни в силе, ни в расстоянии: во-первых, имеем равенство , а во-вторых, в процессе движении груза и нити перемещение точки равно перемещению груза.
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.
На рис. 3 изображён подвижный блок , ось которого перемещается вместе с грузом. Мы тянем за нить с силой , которая приложена в точке и направлена вверх. Блок вращается и при этом также движется вверх, поднимая груз, подвешенный на нити .
 |
В данный момент времени неподвижной точкой является точка , и именно вокруг неё поворачивается блок (он бы "перекатывается" через точку ). Говорят ещё, что через точку проходит мгновенная ось вращения блока (эта ось направлена перпендикулярно плоскости рисунка).
Вес груза приложен в точке крепления груза к нити. Плечо силы равно .
А вот плечо силы , с которой мы тянем за нить, оказывается в два раза больше: оно равно . Соответственно, условием равновесия груза является равенство (что мы и видим на рис. 3 : вектор в два раза короче вектора ).
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).
У блока на рис. 3 есть один недостаток: тянуть нить вверх (за точку ) - не самая лучшая идея. Согласитесь, что гораздо удобнее тянуть за нить вниз! Вот тут-то нас и выручает неподвижный блок.
 |
На рис. 4 изображён подъёмный механизм, который представляет собой комбинацию подвижного блока с неподвижным. К подвижному блоку подвешен груз, а трос дополнительно перекинут через неподвижный блок, что даёт возможность тянуть за трос вниз для подъёма груза вверх. Внешнее усилие на тросе снова обозначено вектором .
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.
В механике подобный механизм называется наклонной плоскостью. Наклонная плоскость - это ровная плоская поверхность, расположенная под некоторым углом к горизонту. В таком случае коротко говорят: "наклонная плоскость с углом ".
Найдём силу, которую надо приложить к грузу массы , чтобы равномерно поднять его по гладкой наклонной плоскости с углом . Эта сила , разумеется, направлена вдоль наклонной плоскости (рис. 5 ).
 |
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.
Чтобы равномерно поднимать тот же груз по вертикали, к нему нужно приложить силу, равную . Видно, что , поскольку . Наклонная плоскость действительно даёт выигрыш в силе, и тем больший, чем меньше угол .
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.
Например, рычаг с отношением плеч 2: 1 даёт выигрыш в силе в два раза. Чтобы на меньшем плече поднять груз весом , нужно к большему плечу приложить силу . Но для поднятия груза на высоту большее плечо придётся опустить на , и совершённая работа будет равна:
т. е. той же величине, что и без использования рычага.
В случае наклонной плоскости мы выигрываем в силе, так как прикладываем к грузу силу , меньшую силы тяжести. Однако, чтобы поднять груз на высоту над начальным положением, нам нужно пройти путь вдоль наклонной плоскости. При этом мы совершаем работу
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 A
полн,
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:
=A полезн/А полн.
КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.
Вычислим КПД наклонной плоскости с углом при наличии трения. Коэффициент трения между поверхностью наклонной плоскости и грузом равен .
Пусть груз массы равномерно поднимается вдоль наклонной плоскости под действием силы из точки в точку на высоту (рис. 6 ). В направлении, противоположном перемещению, на груз действует сила трения скольжения .
 |
Ускорения нет, поэтому силы, действующие на груз, уравновешены:
Проектируем на ось X:
. (1)
Проектируем на ось Y:
. (2)
Кроме того,
, (3)
Из (2) имеем:
Тогда из (3) :
Подставляя это в (1) , получаем:
Полная работа равна произведению силы F на путь, пройденный телом вдоль поверхности наклонной плоскости:
A полн=.
Полезная работа, очевидно, равна:
А полезн=.
Для искомого КПД получаем.
Библиографическое описание: Шумейко А. В., Веташенко О. Г. Современный взгляд на простой механизм «блок», изучаемый по учебникам физики для 7 класса // Юный ученый. 2016. №2. С. 106-113..07.2019).
Учебники физики для 7 класса при изучении простого механизма блок по-разному трактуют получение выигрыша в силе при подъёме груза с помощью этого механизма, например: в учебнике Пёрышкина А. В. выигрыш в силе достигается с помощью колеса блока, на который действуют силы рычага, а в учебнике Генденштейна Л. Э. тот же выигрыш получают с помощью троса, на который действует сила натяжения троса. Разные учебники, разные предметы и разные силы - для получения выигрыша в силе, при подъёме груза. Поэтому целью данной статьи служит поиск предметов и сил, с помощью которых получается выигрыш в силе, при подъёме груза простым механизмом блок.
Сначала ознакомимся и сравним как получают выигрыш в силе, при подъёме груза простым механизмом блок, в учебниках физики для 7 класса, для этого выдержки из текстов учебников, с одинаковыми понятиями, для наглядности разместим в таблице.
|
Пёрышкин А. В. Физика. 7 класс. § 61. Применение правила равновесия рычага к блоку, стр.180–183. |
Генденштейн Л. Э. Физика. 7 класс. § 24. Простые механизмы, стр.188–196. |
|
«Блок представляет собой колесо с жёлобом, укреплённое в обойме. По жёлобу блока пропускают верёвку, трос или цепь. «Неподвижным блоком называют такой блок ось которого закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается (рис.177). Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса (рис.178): ОА=ОВ=r. Такой блок не даёт выигрыша в силе (F1 = F2), но позволяет изменять направление действия силы» . |
«Даёт ли неподвижный блок выигрыш в силе? …на рис.24.1а трос натянут силой, приложенной рыбаком к свободному концу троса. Сила натяжения троса остаётся постоянной вдоль троса, поэтому со стороны троса на груз (рыбу) действует такая же по модулю сила. Следовательно, неподвижный блок не даёт выигрыша в силе. 6.Как с помощью неподвижного блока получить выигрыш в силе? Если человек поднимает самого себя, как показано на рис.24.6, то при этом вес человека распределяется поровну на две части троса (по разные стороны блока). Поэтому человек поднимает себя прикладывая силу, которая вдвое меньше его веса», . |
|
«Подвижный блок - это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом (рис.179).
На рисунке 180 показан соответствующий ему рычаг: О - точка опоры рычага, АО - плечо силы Р и ОВ - плечо силы F. Так как плечо ОВ в 2 раза больше плеча ОА, то сила F в 2 раза меньше силы Р: F=Р/2. Таким образом, подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза» . |
«5. Почему подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза? При равномерном подъёме груза подвижный блок тоже движется равномерно. Значит равнодействующая всех приложенных к нему сил равна нулю. Если массой блока и трением в нём можно пренебречь, то можно считать, что к блоку приложены три силы: вес груза Р, направленный вниз, и две одинаковые силы натяжения троса F, направленные вверх. Поскольку равнодействующая этих сил равна нулю, то Р=2F, то есть вес груза в 2 раза больше силы натяжения троса. Но сила натяжения троса - это как раз и есть сила, которую прикладывают поднимая груз с помощью подвижного блока. Таким образом мы доказали, что подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза» . |
|
«Обычно на практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным (рис.181). Неподвижный блок применяется только для удобства. Он не даёт выигрыша в силе, но изменяет направление действия силы, например позволяет поднимать груз, стоя на земле.
Рис.181. Комбинация подвижных и неподвижных блоков - полиспаст» . |
«12.На рис 24.7 изображена система блоков. Сколько в ней подвижных блоков и сколько неподвижных? Какой выигрыш в силе даёт такая система блоков, если трением и массой блоков можно пренебречь?» .
Рис.24.7. Ответ на стр.240: «12.Три подвижных блока и один неподвижный; в 8 раз» . |
Подведём итог ознакомления и сравнения текстов и рисунков в учебниках:
Доказательства получения выигрыша в силе в учебнике Пёрышкина А. В. проводятся на колесе блока и действующая сила - сила рычага; при подъёме груза неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза. О тросе, на котором висит груз на неподвижном блоке и подвижный блок с грузом, нет упоминания.
С другой стороны, в учебнике Генденштейна Л. Э. доказательства выигрыша в силе проводятся на тросу, на котором висит груз или подвижный блок с грузом и действующая сила - сила натяжения троса; при подъёме груза неподвижный блок может давать выигрыш в силе в 2 раза, а о рычаге, на колесе блока, в тексте нет упоминания.
Поиск литературы с описанием получения выигрыша в силе блоком и тросом привели к «Элементарному учебнику физики» под редакцией академика Г. С. Ландсберга, в §84. Простые машины на стр.168–175 даны описания: «простого блока, двойного блока, ворота, полиспаста и дифференциального блока». Действительно, по своей конструкции, «двойной блок даёт выигрыш в силе, при подъёме груза, за счёт разницы в длине радиусов блоков», с помощью которых происходит подъём груза, а «полиспаст - даёт выигрыш в силе, при подъёме груза, за счет верёвки, на нескольких частях которой, висит груз» . Таким образом удалось узнать почему дают выигрыш в силе, при подъёме груза, по отдельности блок и трос (верёвка), но не удалось узнать, как блок и трос взаимодействуют между собой и передают вес груза друг другу, так как груз может быть подвешен на тросу, а трос перекинут через блок или груз может висеть на блоке, а блок висит на тросу. Выяснилось, что сила натяжения троса постоянна и действует по всей длине троса, поэтому передача веса груза тросом блоку будет в каждой точке соприкосновения троса и блока, а также передача веса груза подвешенного на блоке - тросу. Для уточнения взаимодействия блока с тросом проведём опыты по получению выигрыша в силе подвижным блоком, при подъёме груза, с использованием оборудования школьного кабинета физики: динамометры, лабораторные блоки и набор грузов в 1Н (102 г). Опыты начнём с подвижного блока, потому что имеем три разные версии получения выигрыша в силе этим блоком. Первая версия - это «Рис.180. Подвижный блок как рычаг с неравными плечами» - учебник Пёрышкина А. В., вторая «Рис.24.5... две одинаковые силы натяжения троса F», - по учебнику Генденштейна Л. Э. и наконец третья «Рис.145.Полиспаст». Подъём груза подвижной обоймой полиспаста на нескольких частях одной верёвки - согласно учебника Ландсберга Г. С.
Опыт №1. «Рис.183»
Для проведения опыта № 1, получение выигрыша в силе на подвижном блоке «рычагом с неравными плечами ОАВ рис.180» по учебнику Пёрышкина А. В., на подвижном блоке «рис.183» положение 1, нарисуем рычаг с неравными плечами ОАВ, как на «рис.180», и начнём подъём груза из положения 1 в положение 2. В это же мгновение блок начинает вращение, против часовой стрелки, вокруг своей оси в точке А, а точка В - конец рычага, за который происходит подъём, выходит за пределы полуокружности, по которой трос снизу огибает подвижный блок. Точка О - точка опоры рычага, которая должна быть неподвижной, уходит вниз см. «рис.183» - положение 2, т. е. рычаг с неравными плечами ОАВ изменяется как рычаг с равными плечами (одинаковые пути проходят точки О и В).
На основе полученных данных в опыте № 1 об изменений положения рычага ОАВ на подвижном блоке при подъёме груза из положения 1 в положение 2, можно сделать вывод о том, что представление подвижного блока как рычага с неравными плечами на «рис.180», при подъёме груза, с вращением блока вокруг своей оси, соответствует рычагу с равными плечами, который не даёт выигрыша в силе, при подъёме груза .
Опыт № 2 начнём с крепления динамометров на концы троса, на который повесим подвижный блок с грузом весом 102 г, что соответствует силе тяжести 1 Н. Один из концов троса закрепим на подвесе, а за второй конец троса будем производить подъём груза на подвижном блоке. Перед подъёмом показания обоих динамометров по 0,5 Н, вначале подъёма показания динамометра, за который происходит подъём, изменилось до 0,6 Н, и оставалось таким во время подъёма, по окончании подъёма показания вернулись к 0,5 Н. Показания динамометра, закреплённого за неподвижный подвес не менялось во время подъёма и оставалось равным 0,5 Н. Проведём анализ результатов опыта:
- Перед подъёмом, когда груз в 1 Н (102 г) висит на подвижном блоке, вес груза распределяется на всё колесо и передаётся тросу, который снизу огибает блок, всей полуокружностью колеса.
- Перед подъёмом показания обоих динамометров по 0,5 Н, что свидетельствует о распределении веса груза в 1 Н (102 г) на две части троса (до и после блока) или о том, что сила натяжения троса равна 0,5 Н, и одинакова по всей длине троса (какая в начале, такая же и в конце троса) - оба эти утверждения верны.
Проведём сравнение анализа опыта № 2 с версиями учебников о получении выигрыша в силе в 2 раза подвижным блоком. Начнём с утверждения в учебнике Генденштейна Л. Э. «... что к блоку приложены три силы: вес груза Р, направленный вниз, и две одинаковые силы натяжения троса, направленные вверх (рис.24.5)». Точнее будет утверждение, что вес груза на «рис. 14.5» распределился на две части троса, до и после блока, так как сила натяжения троса - одна . Осталось проанализировать подпись под «рис.181» из учебника Пёрышкина А. В. «Комбинация подвижных и неподвижных блоков - полиспаст». Описание устройства и получения выигрыша в силе, при подъёме груза, полиспастом дано в Элементарном учебнике физики под ред. Лансберга Г. С. где сказано: «Каждый кусок верёвки между блоками будет действовать на движущийся груз с силой Т, а все куски верёвки будут действовать с силой nT, где n - число отдельных участков верёвки, соединяющих обе части блока». Получается, что если к «рис.181» применить получение выигрыша в силе «верёвкой, соединяющей обе части» полиспаста из Элементарного учебника физики Ландсберга Г. С., то описание получение выигрыша в силе подвижным блоком на «рис.179 и соответственно рис.180» будет ошибкой .
Проанализировав четыре учебника физики можно сделать вывод, что существующее описание получения выигрыша в силе простым механизмом блок не отвечает реальному положению дела и поэтому требует нового описания работы простого механизма блок.
Простой грузоподъёмный механизм состоит из блока и троса (верёвки или цепи).
Блоки этого грузоподъёмного механизма подразделяются:
по конструкции на простые и сложные;
по способу подъёма груза на подвижные и неподвижные.
Знакомство с конструкцией блоков начнём с простого блока , который представляет собой колесо, вращающееся вокруг своей оси, с жёлобом по окружности для троса (верёвки, цепи) рис.1 и его можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса: ОА=ОВ=r. Такой блок не даёт выигрыша в силе, но позволяет изменять направление движение троса (верёвки, цепи).
Двойной блок состоит из двух блоков разных радиусов, жестко скреплённых между собой и насаженных на общую ось рис.2. Радиусы блоков r1 и r2 различны и при подъёме груза действуют как рычаг с неравными плечами, а выигрыш в силе будет равен отношению длин радиусов блока большего диаметра к блоку меньшего диаметра F =Р·r1/r2.
Ворот состоит из цилиндра (барабана) и прикреплённой к нему рукоятки, которая выполняет роль блока большого диаметра, Выигрыш в силе, даваемый воротом, определяется отношением радиуса окружности R, описываемой рукояткой, к радиусу цилиндра r, на который намотана верёвка F = Р·r/R.
Перейдём к способу подъёма груза блоками. Из описания конструкции все блока имеют ось, вокруг которой они вращаются. Если ось блока закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается, то такой блок называется неподвижным блоком, простой блок, двойной блок, ворот.
У подвижного блока ось поднимается и опускается вместе с грузом рис.10 и он предназначен в основном для устранения перегиба троса в месте подвеса груза.
Ознакомимся к устройством и способом подъёма груза второй частью простого грузоподъёмного механизма - это трос, верёвка или цепь. Трос свит из стальных проволочек, верёвка свита из нитей или прядей, а цепь состоит из звеньев, соединённых между собой.
Способы подвеса груза и получение выигрыша в силе, при подъёме груза, тросом:
На рис. 4 груз закреплён на одном конце троса и если поднимать груз за другой конец троса, то для подъёма этого груза потребуется сила чуть больше веса груза, так как простой блок выигрыша в силе не даёт F = Р.
На рис.5 груз рабочий поднимает самого себя за трос, который сверху огибает простой блок, на одном конце первой части троса закреплено сидение, на котором сидит рабочий, а за вторую часть троса рабочий поднимает самого себя с силой в 2 раза меньшей своего веса, потому что вес рабочего распределился на две части троса, первая - от сидения до блока, а вторая - от блока до рук рабочего F = Р/2.
На рис.6 груз поднимают двое рабочих за два троса и вес груза распределятся поровну между тросами и поэтому каждый рабочий будет поднимать груз с силой половины веса груза F = Р/2.
На рис.7 рабочие поднимают груз, который висит на двух частях одного троса и вес груза распределятся поровну между частями этого троса (как между двумя тросами) и каждый рабочий будет поднимать груз с силой равной половине веса груза F = Р/2.
На рис.8 конец троса, за который поднимал груз один из рабочих, закрепили на неподвижном подвесе, а вес груза распределился на две части троса и при подъёме груза рабочим за второй конец троса, сила, с которой рабочий будет поднимать груз, в два раза меньше веса груза F = Р/2 и подъём груза будет в 2 раза медленнее.
На рис.9 груз висит на 3 частях одного троса, один конец которого закреплён и выигрыш в силе, при подъёме груза, будет равен 3, так как вес груза распределится на три части троса F = Р/3.
Для устранения перегиба и уменьшения силы трения в месте подвеса груза устанавливается простой блок и сила необходимая для подъёма груза не изменилась, так как простой блок не даёт выигрыша в силе рис.10 и рис.11, а сам блок будет называться подвижным блоком , так как ось этого блока поднимается и опускается вместе с грузом.
Теоретически груз можно подвесить на неограниченное число частей одного троса, но практически ограничиваются шестью частями и такой грузоподъёмный механизм называется полиспаст , который состоит из неподвижной и подвижной обойм с простыми блоками, которые поочерёдно огибаются тросом, одним концом закреплённый на неподвижной обойме, а подъём груза производят за второй конец троса. Выигрыш в силе зависит от количества частей троса между неподвижной и подвижной обоймами, как правило это 6 частей троса и выигрыш в силе 6 раз.
В статье рассмотрены реально существующие взаимодействия между блоками и тросом при подъёме груза. Существующая практика в определении что «неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза» ошибочно трактовала взаимодействие троса и блока в подъёмном механизме и не отражала всего многообразия конструкции блоков, что вело к развитию односторонних ошибочных представлений о блоке. По сравнению с существующими объёмами материала для изучения простого механизма блок, объём статьи увеличился в 2 раза, но это позволило наглядно и доходчиво объяснить процессы, протекающие в простом грузоподъёмном механизме не только ученикам, но и учителям.
Литература:
- Пёрышкин, А. В. Физика, 7 кл.: учебник/ А. В. Пёрышкин.- 3-е изд., доп.- М.: Дрофа, 2014, - 224 c,: ил. ISBN 978–5-358–14436–1. § 61. Применение правила равновесия рычага к блоку, стр.181–183.
- Генденштейн, Л. Э. Физика. 7 класс. В 2 ч. Ч. 1. Учебник для общеобразовательных учреждений/ Л. Э. Генденштен, А. Б. Кайдалов, В. Б. Кожевников; под ред. В. А. Орлова, И, И. Ройзена.- 2-е изд., испр. - М.: Мнемозина, 2010.-254 с.: ил. ISBN 978–5-346–01453–9. § 24. Простые механизмы, стр.188–196.
- Элементарный учебник физики, под редакцией академика Г. С. Ландсберга Том 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика.- 10 изд.- М.: Наука, 1985. § 84. Простые машины, стр. 168–175.
- Громов, С. В. Физика: Учеб. для 7 кл. общеобразоват. учреждений/ С. В. Громов, Н. А. Родина.- 3-е изд. - М.: Просвещение, 2001.-158 с,:ил. ISBN-5–09–010349–6. §22. Блок, стр.55 -57.
Ключевые слова: блок, двойной блок, неподвижный блок, подвижный блок, полиспаст. .
Аннотация: Учебники физики для 7 класса при изучении простого механизма блок по-разному трактуют получение выигрыша в силе при подъёме груза с помощью этого механизма, например: в учебнике Пёрышкина А. В. выигрыш в силе достигается с помощью колеса блока, на который действуют силы рычага, а в учебнике Генденштейна Л. Э. тот же выигрыш получают с помощью троса, на который действует сила натяжения троса. Разные учебники, разные предметы и разные силы - для получения выигрыша в силе, при подъёме груза. Поэтому целью данной статьи служит поиск предметов и сил, с помощью которых получается выигрыш в силе, при подъёме груза простым механизмом блок.
Чаще всего простые механизмы используют, чтобы получить выигрыш в силе. То есть меньшей силой переместить больший по-сравнению с ней вес. При этом выигрыш в силе достигается не «бесплатно». Расплатой за него является потеря в расстоянии, то есть требуется сделать большее перемещение, чем без использования простого механизма. Однако когда силы ограничены, то «обмен» расстояния на силу выгоден.
Подвижный и неподвижный блоки являются одними из видов простых механизмов. Кроме того, они являются видоизмененным рычагом, который также является простым механизмом.
Неподвижный блок не дает выигрыш в силе, он просто изменяет направление ее приложения. Представьте, что вам надо поднять за веревку тяжелый груз вверх. Вам придется тянуть его вверх. Но если использовать неподвижный блок, то тянуть надо будет вниз, в то время как груз будет подниматься вверх. В этом случае вам будет проще, так как необходимая сила будет складываться из силы мышц и вашего веса. Без использования неподвижного блока надо было бы прикладывать такую же силу, но она достигалась бы исключительно за счет силы мышц.
Неподвижный блок представляет собой колесо с желобом для веревки. Колесо закреплено, оно может вращаться вокруг своей оси, но не может перемещаться. Концы веревки (троса) свисают вниз, к одному прикреплен груз, а к другом прикладывается сила. Если тянуть за трос вниз, то груз поднимается вверх.
Так как здесь нет выигрыша в силе, то нет и проигрыша в расстоянии. На какое расстояние поднимется груз, на такое же расстояние надо опустить веревку.
Использование подвижного блока дает выигрыш в силе в два раза (в идеале). Это значит, что если вес груза равен F, то чтобы его поднять, надо приложить силу F/2. Подвижный блок состоит всё из того же колеса с желобом для троса. Однако здесь закреплен один конец троса, а колесо подвижно. Колесо движется вместе с грузом.
Вес груза - это сила, направленная вниз. Его уравновешивают две силы, направленные вверх. Одну создает опора, к которой прикреплен трос, а другую тянущий за трос. Сила натяжения троса одинакова с обоих сторон, значит, между ними поровну распределяется вес груза. Поэтому каждая из сил в 2 раза меньше веса груза.
В реальных ситуациях выигрыш в силе меньше, чем в 2 раза, так как поднимающая сила частично «тратится» на вес веревки и блока, а также трение.
Подвижный блок, давая почти двойной выигрыш в силе, дает двойной проигрыш в расстоянии. Чтобы поднять груз на определенную высоту h, надо чтобы веревки с каждой стороны блока уменьшились на эту высоту, то есть в сумме получается 2h.
Обычно используют комбинации из неподвижных и подвижных блоков - полиспасты. Они позволяют получить выигрыш в силе и направлении. Чем больше в полиспасте подвижных блоков, тем больше будет выигрыш в силе.
