Рычаг - самый простой и не самый древний механизм, который использует человек. Ножницы, кусачки, лопата, дверь, весло, руль и ручка переключения передач в автомобиле - все они действуют по принципу рычага. Уже во время строительства египетских пирамид рычагами поднимали камни весом по десять тонн.
Рычаг. Правило рычага
Рычагом называют стержень, который может вращаться вокруг некоторой неподвижной оси. Ось О, перпендикулярная к плоскости рисунка 35.2. На правое плечо рычага длиной l 2 действует сила F 2 , а на левое плечо рычага длиной l 1 действует сила F 1 Длину плеч рычага l 1 и l 2 измеряют от оси вращения О до соответствующих линий действия силы F 1 и F 2 .
Пусть силы F 1 и F 2 такие, что рычаг не вращается. Опыты показывают, что в таком случае выполняется условие:
F 1 ∙ l 1 = F 2 ∙ l 2 . (35.1)
Перепишем это равенство по-другому:
F 1 /F 2 =l 2 /l 1 . (35.2)
Смысл выражения (35.2) такой: во сколько раз плечо l 2 дольше за плечо l 1 , во столько же раз величина силы F 1 больше величины силы F 2 Это утверждение называют правилом рычага, а отношение F 1 /F 2 - выигрышем в силе.
Получая выигрыш в силе, мы проигрываем в расстоянии, поскольку надо сильно опустить правое плечо, чтобы немного поднять левый конец плеча рычага.
Зато весла лодки закреплены в уключинах так, что мы тянем за короткое плечо рычага, прикладывая значительную силу, но зато получаем выигрыш в скорости на конце длинного плеча (рис. 35.3).
Если силы F 1 и F 2 равны по величине и направлению, то рычаг будет в равновесии при условии, что l 1 = l 2 , то есть ось вращения находится посередине. Конечно, никакого выигрыша в силе в этом случае мы не получим. Руль автомобиля устроено еще интереснее (рис. 35. 4).
Рис. 35.1. Инструмент
Рис. 35.2. Рычаг
Рис. 35.3. Весла дают выигрыш в скорости
Рис. 35.4. Сколько рычагов вы видите на этой фотографии?
Момент силы. Условие равновесия рычага
Плечом силы l называют кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы. В случае (рис. 35.5), когда линия действия силы F образует острый угол с гаечным ключом, плечо силы l меньше за плечо l 2 в случае (рис. 35.6), где сила действует перпендикулярно к ключу.
Рис. 35.5. Плечо l меньше
Произведение силы F на длину плеча l называют моментом силы и обозначают буквой М:
M = F ∙ l. (35.3)
Момент силы измеряется в Н-м. В случае (рис.35.6) гайку вращать легче, потому что момент силы, с которой мы действуем на ключ, больше.
Из соотношения (35.1) следует, что в случае, когда на рычаг действуют две силы (рис.35.2), условие отсутствия вращения рычага заключается в том, щомомент силы, которая пытается его вращать по часовой стрелке (F 2 ∙ l 2), должен равняться моменту силы, которая пытается вращать рычаг против часовой стрелки (F 1 ∙ l 1).
Если на рычаг действуют больше, чем две силы, правило равновесия рычага звучит так: рычаг не вращается вокруг неподвижной оси, если сумма моментов всех сил, вращающие тело по часовой стрелке, равна сумме моментов всех сил, вращающие его против часовой стрелки.
Если моменты сил уравновешены, рычаг вращается в ту сторону, куда его вращает больший по сумме момент.
Пример 35.1
К левому плечу рычага длиной 15 см подвесили груз массой 200 г. На каком расстоянии от оси вращения надо подвесить груз 150 г, чтобы рычаг находился в равновесии?
Рис. 35.6. Плечо l больше
Решение: Момент первого бремени (рис. 35.7) равна: M 1 = m 1 g ∙ l 1 .
Момент второго груза: М 2 = m 2 g ∙ l 2 .
Согласно правила равновесия рычага:
М 1 = М 2 , или m 1 ∙ l 1 = m 2 g ∙ l 2 .
Отсюда: l 2 = .
Вычисления: l 2 = = 20 см.
Ответ: длина правого плеча рычага в положении равновесия составляет 20 см.
Оборудование: легкий и достаточно прочный провод длиной примерно 15 см, скрепки, линейка, нить.
Ход работы. Наденьте на проволоку ниткову петлю. Примерно посередине проволоки туго затяните петлю. Затем проволоку подвесьте на нитке (прикрепив нить, скажем, настольной лампы). Установите равновесие проволоки, передвигая петлю.
Нагрузите рычаг с двух сторон от центра цепочками из разного количества скрепок и добейтесь равновесия (рис. 35.8). Измерьте длины плеч l 1 и l 2 с точностью до 0,1 см. Силу будем измерять в “скрепках”. Запишите результаты в таблицу.
Рис. 35.8. Исследование равновесия рычага
Сравните величины А и В. Сделайте вывод.
Интересно знать.
*Проблемы точного взвешивания.
Рычаг используют в весах, и от того, насколько точно совпадает длина плеч зависит точность взвешивания.
Современные аналитические весы могут взвешивать с точностью до одной десятимиллионной части грамма, то есть в 0,1 мкг (рис. 35.9). Причем есть две разновидности таких весов: одни для взвешивания легких грузов, другие - тяжелых. Первый вид вы можете увидеть в аптеке, ювелирной мастерской или химической лаборатории.
На весах для взвешивания крупных грузов можно взвешивать грузы весом до тонны, но они остаются при этом очень чувствительными. Если ступить на такую тяжесть, а затем выдохнуть воздух из легких, то она среагирует.
Ультрамикровесы измеряют массу с точностью до 5 ∙ 10 -11 г (пять стомільярдних долей грамма!)
При взвешивании на точных весах возникает много проблем:
а) Как не старайся, плечи коромысла все равно не равны.
б) Чаши весов хотя и мало, но различаются по массе.
в) Начиная с определенного порога точности, вес начинает реагировать на виштовхувальну силу воздуха, которая для тел обычных размеров очень мала.
г) При размещении весов в вакууме от этого недостатка можно избавиться, но при взвешивании очень маленьких масс начинают ощущаться удары молекул воздуха, которое полностью откачать невозможно никаким насосом.
Рис. 35.9. Современные аналитические весы
Два способа повысить точность нерівноплечних весов.
1. Метод тарирования. Зрівноважимо груз с помощью сыпучего вещества, например песка. Затем снимем груз и разновесками зрівноважимо песок. Очевидно, что масса гирь равна истинной массе груза.
2. Метод поочередного взвешивания. Взвешиваем груз на чаше весов, которая находится, например, на плече длиной l 1 . Пусть масса грузиков, которая приводит к уравновешивании весов, равен m 2 . Потом взвесим этот же груз в другой чаше, что находится на плече длиной l 2 . Получим несколько другую массу грузиков m 1 . Но в обоих случаях настоящая масса груза равна m. В обоих взвешиваниях выполнялось условие: m ∙ l 1 =m 2 ∙ l 2 и m ∙ l 2 = m 1 ∙ l 1 . Решая систему этих уравнений, получим: m = 
.
Тема для исследования
35.1. Сконструируйте весы, на которых можно взвесить песчинку и опишите проблемы, с которыми вы столкнулись при выполнении этого задания.
Подведем итоги
Плечом силы l называют кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.
Моментом силы называют произведение силы на плечо: М = F ∙ l.
Рычаг не вращается, если сумма моментов сил, которые вращают тело по часовой стрелке, равна сумме моментов всех сил, вращающие его против часовой стрелки.
Упражнение 35
1. В каком случае рычаг дает выигрыш в силе?
2. В каком случае легче закрутить гайку: рис. 35.5 или 35.6?
3. Почему дверная ручка максимально удаленная от оси вращения?
4. Почему согнутой в локте рукой можно поднять больший груз, чем вытянутой?
5. Длинный стержень легче удерживать в горизонтальном положении, держа его за середину, чем за конец. Почему?
6. Прикладывая силу 5 Н к плечу рычага длиной 80 см, мы хотим уравновесить силу 20 Н. Какой должна быть длина второго плеча?
7. Предположим, что силы (рис. 35.4) одинаковы по величине. Почему они не уравновешиваются?
8. Предмет можно уравновесить на весах так, чтобы со временем равновесие нарушилось само собой, без внешних воздействий?
9. Есть 9 монет, одна из них - фальшивая. Она тяжелее других. Предложите процедуру с помощью которой фальшивую монету можно однозначно обнаружить за минимальное количество взвешиваний. Гиря для взвешивания отсутствуют.
10. Почему груз, масса которого меньше порога чувствительности весов, не нарушает их равновесия?
11. Зачем точное взвешивание проводят в вакууме?
12. В каком случае точность взвешивания на рычажных весах не будет зависеть от действия силы Архимеда?
13. Как определяют длину плеча рычага?
14. Как вычисляют момент силы?
15. Сформулируйте правила равновесия рычага.
16. Что называют выигрышем в силе в случае рычага?
17. Почему гребец берется за короткое плечо рычага?
18. Сколько рычагов можно увидеть на рис. 35.4?
19. Которые весы называют аналитическими?
20. Объясните смысл формулы (35.2).
3 истории науки. До наших времен дошла история о том, как царь Сиракуз Гієрон приказал построить большой трипалубний корабль - триеру (рис.35.10). Но когда корабль был готов, оказалось, что его не удается сдвинуть с места даже усилиями всех жителей острова. Архимед придумал механизм, состоящий из рычагов и позволил спустить корабль на воду одному человеку. Об этом событии рассказал римский историк Витрувий.
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.
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.
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.
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.
Еще до Нашей Эры люди начали применять рычаги в строительном деле. Например, на рисунке вы видите использование рычага при постройке пирамид в Египте. Рычагом называют твердое тело, которое может вращаться вокруг некоторой оси. Рычаг — это необязательно длинный и тонкий предмет. Например, колесо — тоже рычаг, так как это твердое тело, вращающееся вокруг оси.
Введем еще два определения. Линией действия силы назовем прямую, проходящую через вектор силы. Кратчайшее расстояние от оси рычага до линии действия силы назовем плечом силы. Из курса геометрии вы знаете, что кратчайшее расстояние от точки до прямой — это расстояние по перпендикуляру к этой прямой.
Проиллюстрируем эти определения примером. На рисунке слева рычагом является педаль. Ось ее вращения проходит через точку О. К педали приложены две силы: F1 — сила, с которой нога давит на педаль и F2 — сила упругости натянутого троса, прикрепленного к педали. Проведя через вектор F1 линию действия силы (изображена голубым цветом), и, опустив на нее перпендикуляр из т. О, мы получим отрезок ОА — плечо силы F1.
С силой F2 дело обстоит еще проще: линию ее действия можно не проводить, так как вектор этой силы расположен более удачно. Опустив из т. О перпендикуляр на линию действия силы F2, получим отрезок ОВ — плечо этой силы.
При помощи рычага можно маленькой силой уравновесить большую силу. Рассмотрим, например, подъем ведра из колодца. Рычагом является колодезный ворот — бревно с прикрепленной к нему изогнутой ручкой. Ось вращения ворота проходит сквозь бревно. Меньшей силой служит сила руки человека, а большей силой — сила, с которой ведро и свисающая часть цепи тянет вниз.
На чертеже слева показана схема ворота. Вы видите, что плечом большей силы является отрезок OB, а плечом меньшей силы — отрезок OA. Ясно видно, что OA > OB. Другими словами, плечо меньшей силы больше плеча большей силы. Такая закономерность справедлива не только для ворота, но и для любого другого рычага. В более общем виде она звучит так:
При равновесии рычага плечо меньшей силы во столько раз больше плеча большей силы, во сколько раз большая сила больше меньшей.
Проиллюстрируем это правило при помощи школьного рычага с грузиками. Взгляните на рисунок. У первого рычага плечо левой силы в 2 раза больше плеча правой силы, следовательно, и правая сила в два раза больше левой силы. У второго рычага плечо правой силы в 1.5 раза больше плеча левой силы, то есть во столько же раз, во сколько левая сила больше правой силы.
Итак, при равновесии на рычаге двух сил бо’льшая из них всегда имеет меньшее плечо и наоборот.
Знаете ли вы, что такое блок? Это такая круглая штуковина с крюком, при помощи которой на стройках поднимают грузы на высоту.
Похоже на рычаг? Едва ли. Однако, блок тоже является простым механизмом. Более того, можно говорить о применимости закона равновесия рычага к блоку. Как это возможно? Давайте разберемся.
Блок представляет собой устройство, которое состоит из колеса с желобом, по которому пропускают, трос, веревку или цепь, а также прикрепленной к оси колеса обоймы с крюком. Блок может быть неподвижным и подвижным. У неподвижного блока ось закреплена, и она не двигается при подъеме или опускании груза. Неподвижный блок помогает изменить направление действия силы. Перекинув через такой блок, подвешенный вверху, веревку, мы можем, поднимать груз вверх, сами при этом находясь внизу. Однако выигрыша в силе применение неподвижного блока нам не дает. Мы можем представить блок в виде рычага, вращающегося вокруг неподвижной опоры - оси блока. Тогда радиус блока будет равен плечам, приложенных с двух сторон сил, - силы тяги нашей веревки с грузом с одной стороны и силы тяжести груза с другой. Плечи будут равны, соответственно, выигрыша в силе нет.
Иначе обстоит дело с подвижным блоком. Подвижный блок перемещается вместе с грузом, он как бы лежит на веревке. В таком случае точка опоры в каждый момент времени будет находиться в месте соприкосновения блока с веревкой с одной стороны, воздействие груза будет приложено к центру блока, где он и крепится на оси, а сила тяги будет приложена в месте соприкосновения с веревкой с другой стороны блока. То есть плечом веса тела будет радиус блока, а плечом силы нашей тяги - диаметр. Диаметр, как известно, в два раза больше радиуса, соответственно, плечи различаются по длине в два раза, и выигрыш в силе, получаемый с помощью подвижного блока, равен двум. На практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным. Закрепленный вверху неподвижный блок не дает выигрыша в силе, однако помогает поднимать груз, стоя внизу. А подвижный блок, перемещаясь вместе с грузом, увеличивает прикладываемую силу вдвое, помогая поднимать большие грузы на высоту.
Возникает вопрос: а дают ли применяемые устройства выигрыш в работе? Работа есть произведение пройденного пути на приложенную силу. Рассмотрим рычаг с плечами, различающимися в два раза по длине плеча. Этот рычаг даст нам выигрыш в силе в два раза, однако, в два раза большее плечо при этом пройдет в два раза больший путь. То есть, несмотря на выигрыш в силе, совершенная работа будет одинакова. В этом и заключается равенство работ при использовании простых механизмов: во сколько раз мы имеем выигрыш в силе, во столько раз, мы проигрываем в расстоянии. Это правило называется золотым правилом механики , и оно применимо абсолютно ко всем простым механизмам. Поэтому простые механизмы облегчают труд человека, но не уменьшают совершаемую им работу. Они просто помогают переводить одни виды усилий в другие, более удобные в конкретной ситуации.
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Михейковская средняя школа Ярцевского района Смоленской области Урок по теме «Простые механизмы. Применение закона равновесия рычага к блоку» 7 класс Составил и провел учитель физики высшей категории Лавнюженков Сергей Павлович 2016 – 2017 уч.год Цели урока (планируемые результаты обучения): Личностные: формирование умений управлять своей учебной деятельностью; формирование интереса к физике при анализе физических явлений; формирование мотивации постановкой познавательных задач; формирование умения вести диалог на основе равноправных отношений и взаимного уважения; развитие самостоятельности в приобретении новых знаний и практических умений; развитие внимания, памяти, логического и творческого мышления; осознание учащимися своих знаний; Метапредметные: развитие умения генерировать идеи; развивать умение определять цели и задачи деятельности; проводить экспериментальное исследование по предложенному плану; на основании результатов эксперимента формулировать вывод; развивать коммуникативные навыки при организации работы; самостоятельно оценивать и анализировать собственную деятельность с позиции полученных результатов; использовать различные источники для получения информации. Предметные: формирование представления о простых механизмах; формирование умения распознавать рычаги, блоки, наклонные плоскости, вороты, клины; дают ли простые механизмы выигрыш в силе; формирование умения планировать и проводить эксперимент, на основании результатов эксперимента формулировать вывод. Ход урока № п. п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Деятельность учителя Деятельность учащегося Примечания Организационный этап Подготовка к уроку Этап повторения и проверки усвоения пройденного материала Работа с картинками, работа в парах – устный рассказ По плану, взаимопроверка знаний Этап актуализации знаний, целеполагания Организационнодеятельностный этап: помощь и контроль над работой учащихся Физминутка Организационнодеятельностный этап: практическая работа, актуализация и целеполагание Этап практического закрепления полученных знаний: решение задач Этап закрепления пройденного материала Введение понятия «простые механизмы», по Работа с учебником, составление схемы Самооценка Физические упражнения Сбор установки Введение понятия «рычаг», постановка целей Введение понятия «плечо силы» Экспериментальное подтверждение правила равновесия рычага Самооценка Решают задачи Взаимопроверка Отвечают на вопросы Этап обсуждения домашнего задания Записывают домашнее задание 10 Этап рефлексии: предлагается ученикам выделить новое, интересное, трудное в уроке Делятся своими впечатлениями в устной и письменной форме Учитель: Сегодня на уроке мы заглянем в мир механики, будем учиться сравнивать, анализировать. Но прежде выполним ряд заданий, которые помогут раскрыть таинственную дверь шире и показать всю красоту такой науки, как механика. На экране несколько картинок: Что выполняют эти люди? (механическую работу) Египтяне строят пирамиду (рычаг); Человек поднимает (с помощью ворота) из колодца воду; Люди катят бочку на корабль (наклонная плоскость); Человек поднимает груз (блок). Учитель: Составьте по плану рассказ: 1. Какие условия необходимы для совершения механической работы? 2. Механическая работа – это ……………. 3. Условное обозначение механической работы 4. Формула работы … 5. Что принято за единицу измерения работы? 6. Как и в честь какого ученого она названа? 7. В каких случаях работа положительная, отрицательная или равна нулю? Учитель: А теперь посмотрим на эти картинки ещё раз и обратим внимание, как эти люди выполняют работу? (люди используют длинную палку, ворот, устройство наклонной плоскости, блок) Учитель: Учащиеся: Простые механизмы Учитель: Правильно! Простые механизмы. Как вы думаете по какой теме на уроке мы будем с Вами Как можно назвать одним словом данные приспособления? сегодня говорить? Учащиеся: О простых механизмах. Учитель: Правильно. Темой нашего урока будут простые механизмы (запись темы урока в тетради, слайд с темой урока) Поставим перед собой цели урока: Вместе с детьми: изучить, что такое простые механизмы; рассмотреть, виды простых механизмов; условие равновесия рычага. Учитель: Ребята, а как вы думаете для чего применяют простые механизмы? Учащиеся: Их используют для уменьшения силы, которую мы прикладываем, т.е. для её преобразования. Учитель: Простые механизмы имеются и в быту, и во всех сложных заводских машинах и т.д. Ребята, в каких бытовых приборах и устройствах имеются простые механизмы. Учащиеся: Весы рычажные, ножницы, мясорубка, нож, топор, пила, и т.д. Учитель: Какой простой механизм есть у подъемного крана. Учащиеся: Рычаг (стрела), блоки. Учитель: Сегодня мы более подробнее остановимся на одном из видов простых механизмов. Он находится на столе. Что это за механизм? Учащиеся: Это рычаг. Подвесим грузики на одно из плеч рычага и, используя другие грузики, уравновесим рычаг. Посмотрим, что получилось. Мы видим, что плечи у грузиков отличаются друг от друга. Давайте качнем одно из плеч рычага. Что мы видим? Учащиеся: Покачавшись, рычаг возвращается в положение равновесия. Учитель: Что называется рычагом? Учащиеся: Рычаг – это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси. Учитель: Когда рычаг находится в равновесии? Учащиеся: 1 вариант: одинаковое количество грузов на одинаковом расстоянии от оси вращения; 2 вариант: больше груз – меньше расстояние от оси вращения. Учитель: Как называется такая зависимость в математике? Учащиеся: Обратно пропорциональная. Учитель: С какой силой грузы действуют на рычаг? Учащиеся: Весом тела вследствие притяжения Земли. P = Fтяж= F F 1 F 2 l 2 l 1 где F1 – модуль первой силы; F2 – модуль второй силы; l1 – плечо первой силы; l2 – плечо второй силы. Учитель: Это правило установил Архимед в III веке до нашей эры. Задача: При помощи лома рабочий поднимает ящик массой 120кг. Какую силу он прикладывает к большему плечу рычага, если длина этого плеча 1,2 м, а меньшего плеса 0,3 м. Какой будет выигрыш в силе? (Ответ: Выигрыш в силе равен 4) Решение задач (самостоятельно с последующей взаимопроверкой). 1. Первая сила равна 10 Н, а плечо этой силы 100 см. Чему равна вторая сила, если ее плечо равно 10 см? (Ответ: 100 Н) 2. Рабочий с помощью рычага поднимает груз весом 1000 Н, при этом он прилагает силу 500 Н. Каково плечо большей силы, если плечо меньшей силы 100 см? (Ответ: 50 см) Подведение итогов. Какие механизмы называются простыми? Какие виды простых механизмов вы знаете? Что такое рычаг? Что такое плечо силы? Каково правило равновесия рычага? Какое значение имеют простые механизмы в жизни человека? Д/з 1. Читать параграф. 2. Перечислите простые механизмы, которые обнаружите дома и те, которые человек использует в повседневной жизни, записав их в таблицу: Простой механизм в быту, в технике Вид простого механизма 3. Дополнительно. Подготовить сообщение об одном простом механизме, применяемом в быту, технике. Рефлексия. Закончи предложения: теперь я знаю, ………………………………………………………….. я понял, что……………………………………………………………… я умею……………………………………………………………………. я могу найти (сравнить, проанализировать и т.п.) ……………………. я самостоятельно правильно выполнил ………………………………... я применил изученный материал в конкретной жизненной ситуации …………. мне понравился (не понравился) урок …………………………………
