МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ, механические устройства, облегчающие труд и повышающие его производительность. Машины могут быть разной степени сложности - от простой одноколесной тачки до лифтов, автомобилей, печатных, текстильных, вычислительных машин. Энергетические машины преобразуют один вид энергии в другой. Например, генераторы гидроэлектростанции преобразуют механическую энергию падающей воды в электрическую энергию. Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию бензина в тепловую, а затем в механическую энергию движения автомобиля ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ; ТУРБИНА) . Так называемые рабочие машины преобразуют свойства или состояние материалов (металлорежущие станки, транспортные машины) либо информацию (вычислительные машины).

Машины состоят из механизмов (двигательного, передаточного и исполнительного) - многозвенных устройств, передающих и преобразующих силу и движение. Простой механизм, называемый полиспастом (см . БЛОКИ И ПОЛИСПАСТЫ) , увеличивает силу, приложенную к грузу, и за счет этого позволяет вручную поднимать тяжелые предметы. Другие механизмы облегчают работу, увеличивая скорость. Так, велосипедная цепь, входящая в зацепление со звездочкой, преобразует медленное вращение педалей в быстрое вращение заднего колеса. Однако механизмы, увеличивающие скорость, делают это за счет уменьшения силы, а увеличивающие силу - за счет уменьшения скорости. Увеличить одновременно и скорость и силу невозможно. Механизмы могут также просто изменять направление силы. Пример - блок на конце флагштока: чтобы поднять флаг, тянут за шнур вниз. Изменение направления может сочетаться с увеличением силы или скорости. Так, тяжелый груз можно приподнять, нажимая на рычаг вниз.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Основной закон.

Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии. В применении к машинам и механизмам он гласит: энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована в другие виды энергии или в работу. Поэтому на выходе машины или механизма не может оказаться больше энергии, чем на входе. К тому же в реальных машинах часть энергии теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию и наоборот, закон сохранения энергии для машин и механизмов можно записать в виде

Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение.

Отсюда видно, в частности, почему невозможна машина типа вечного двигателя: из-за неизбежных потерь энергии на трение она рано или поздно остановится.

Выигрыш в силе или скорости.

Механизмы, как указывалось выше, могут применяться для увеличения силы или скорости. Идеальный, или теоретический, выигрыш в силе или скорости - это коэффициент увеличения силы или скорости, который был бы возможен в отсутствие потерь энергии, обусловленных трением. Идеальный выигрыш на практике недостижим. Реальный выигрыш, например в силе, равен отношению силы (называемой нагрузкой), которую развивает механизм, к силе (называемой усилием), которая прикладывается к механизму.

Механический КПД.

Коэффициентом полезного действия машины называется процентное отношение работы на ее выходе к работе на ее входе. Для механизма КПД равен отношению реального выигрыша к идеальному. КПД рычага может быть очень высоким - до 90% и даже больше. В то же время КПД полиспаста из-за значительного трения и массы движущихся частей обычно не превышает 50%. КПД домкрата может составлять лишь 25% из-за большой площади контакта между винтом и его корпусом, а следовательно, большого трения. Это приблизительно такой же КПД, как у автомобильного двигателя. См . АВТОМОБИЛЬ ЛЕГКОВОЙ.

КПД можно в известных пределах повысить, уменьшив трение за счет смазки и применения подшипников качения.

ПРОСТЕЙШИЕ МЕХАНИЗМЫ

Простейшие механизмы можно найти почти в любых более сложных машинах и механизмах. Их всего шесть: рычаг, блок, дифференциальный ворот, наклонная плоскость, клин и винт. Некоторые авторитетные специалисты утверждают, что на самом деле можно говорить всего лишь о двух простейших механизмах - рычаге и наклонной плоскости, - так как нетрудно показать, что блок и ворот представляют собой варианты рычага, а клин и винт - варианты наклонной плоскости.

Рычаг.

Это жесткий стержень, который может свободно поворачиваться относительно неподвижной точки, называемой точкой опоры. Примером рычага могут служить лом, молоток с расщепом, тачка, метла.

Рычаги бывают трех родов, различающихся взаимным расположением точек приложения нагрузки и усилия и точки опоры (рис. 1). Идеальный выигрыш в силе рычага равен отношению расстояния D E от точки приложения усилия до точки опоры к расстоянию D L от точки приложения нагрузки до точки опоры. Для рычага I рода расстояние D E обычно больше D L , а поэтому идеальный выигрыш в силе больше 1. Для рычага II рода идеальный выигрыш в силе тоже больше единицы. Что же касается рычага III рода, то величина D E для него меньше D L , а стало быть, больше единицы выигрыш в скорости.

Блок.

Это колесо с желобом по окружности для каната или цепи. Блоки применяются в грузоподъемных устройствах. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспастом. Одиночный блок может быть либо с закрепленной осью (уравнительным), либо подвижным (рис. 2). Блок с закрепленной осью действует как рычаг I рода с точкой опоры на его оси. Поскольку плечо усилия равно плечу нагрузки (радиус блока), идеальный выигрыш в силе и скорости равен 1. Подвижный же блок действует как рычаг II рода, поскольку нагрузка расположена между точкой опоры и усилием. Плечо нагрузки (радиус блока) вдвое меньше плеча усилия (диаметр блока). Поэтому для подвижного блока идеальный выигрыш в силе равен 2.

Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать по-разному для увеличения выигрыша в силе. В одной обойме можно установить два, три или большее число блоков, а конец троса можно прикрепить либо к неподвижной, либо к подвижной обойме.

Дифференциальный ворот.

Это, в сущности, два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг одной оси (рис. 3), например, колодезный ворот с ручкой.

ПРЕДМЕТ: Физика

КЛАСС: 7

ТЕМА УРОКА: Наклонная плоскость. "Золотое правило механики".

Учитель физики

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ЦЕЛЬ УРОКА: Актуализировать знания по теме "Простые механизмы"

и усвоить общее положение для всех разновидностей простых

механизмов, которое называется «золотым правилом» механики.

ЗАДАЧИ УРОКА:

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ:

- углубить знания об условии равновесия вращающегося тела, о блоках подвижном и неподвижном;

Доказать, что простые механизмы, используемые в работе, дают выигрыш в силе, а с другой стороны, - позволяют изменить направление движения тела под действием силы;

Вырабатывать практические умения в подборе аргументированного материала.

ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ:

Воспитывать интеллектуальную культуру в подведении учащихся к пониманию основного правила простых механизмов;

Познакомить с функциями применения рычагов в быту, в технике, в школьной мастерской, в природе.

РАЗВИТИЕ МЫШЛЕНИЯ:

Формировать умение обобщать известные данные на основе выделения главного;

Формировать элементы творческого поиска на основе приема обобщения.

ОБОРУДОВАНИЕ: Приборы (рычаги, набор грузов, линейка, блоки, наклонная плоскость, динамометр), таблица «Рычаги в живой природе», компьютеры, раздаточный материал (тесты, карточки с заданиями), учебник, доска, мел.

ХОД УРОКА.

СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УРОКА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧИТЕЛЯ И УЧАЩИХСЯ

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УРОКА Учитель обращается к классу:

Целый мир охватив от земли до небес,

Всполошив не одно поколение,

По планете шагает научный прогресс.

У природы все меньше секретов.

Как использовать знанье - забота людей.

Сегодня, ребята, познакомимся с общим положением простых механизмов, которое называется «золотым правилом» механики .

ВОПРОС УЧАЩИМСЯ (ГРУППЕ ЛИНГВИСТОВ)

Как вы думаете, почему правило наз-ся "золотым"?

ОТВЕТ: " Золотое правило" - одна из древнейших нравственных заповедей, содержащихся в народных пословицах, поговорках: Не делай другим того, что не хочешь, чтобы причиняли тебе, - высказывались древне - восточные мудрецы.

ГРУППА ТОЧНИКОВ ОТВЕТ: ” Золотое”- это основа всех основ.

ВЫЯВЛЕНИЕ ЗНАНИЙ. ВЫПОЛНЕНИЕ ТЕСТА «РАБОТА И МОЩНОСТЬ»

(на компьютере, тест прилагается)

ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ЗАДАНИЯ И ВОПРОСЫ.

1.Что представляет собой рычаг?

2. Что называют плечом силы?

3. Правило равновесия рычага.

4. Формула правила равновесия рычага.

5. Найдите ошибку на рисунке.

6. Используя правило равновесия рычага, найдите F2

d1=2см d2=3см

7. Будет ли находится в равновесии рычаг?

d1=4см d2=3см

Группа лингвистов выполняет № 1, 3, 5.

Группа точников выполняют № 2, 4, 6, 7.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ГРУППЕ УЧ-СЯ

1. Уравновесьте рычаг

2. Подвесьте два груза на левой части рычага на расстоянии 12 см. от оси вращения

3. Уравновесьте эти два груза:

а) одним грузом_ _ _ плечо_ _ _ см.

б) двумя грузами_ _ _ плечо_ _ _ см.

в) тремя грузами_ _ _плечо _ _ _ см.

С учащимися работает консультант

В мире интересного.

"Рычаги в живой природе "

(выступает призер олимпиады по биологии Минакова Марина)

РАБОТА НАД Показ опытов (консультант)

ИЗУЧАЕМЫМ № 1 Применение закона равновесия рычага к блоку.

МАТЕРИАЛОМ. а) Неподвижный блок.

Актуализация ранее Уч-ся должны пояснить, что неподвижный блок можно усвоенных рассматривать как равноплечий рычаг и выигрыша в

знаний о простых силе не дает

механизмах. № 2 Равновесие сил на подвижном блоке.

Уч–ся на основании опытов делают вывод, что подвижный
блок дает выигрыш в силе в два раза и такой же проигрыш в
пути.

ИЗУЧЕНИЕ

НОВОГО МАТЕРИАЛА. Более 2000 лет назад прошло с тех пор, как погиб Архимед, но и
сегодня память людей хранит его слова: «Дайте мне точку опоры, и
я вам подниму весь мир». Так сказал выдающийся древнегреческий
ученый – математик, физик, изобретатель, разработав теорию
рычага и поняв его возможности.

На глазах правителя Сиракуз, Архимед, воспользовавшись

сложным
устройством из рычагов, в одиночку спустил корабль. Девизом
каждого, кто нашел новое, служит знаменитое «Эврика!».

Одним из простых механизмов, дающим выигрыш в силе, является
наклонная плоскость. Определим работу, совершаемую с помощью
наклонной плоскости.

ДЕМОНСТРАЦИЯ ОПЫТА:

Работа сил на наклонной плоскости.

Измеряем высоту и длину наклонной плоскости и

Сравниваем их отношение с выигрышем силы на

F плоскости.

L А) опыт повторяем, изменив угол наклона доски.

Вывод из опыта: наклонная плоскость дает

h выигрыш в силе во столько раз, во сколько ее длина

Больше высоты. =

2. Золотое правило механики выполняется и для

рычага.

При вращении рычага во сколько раз

выигрываем в силе, во столько же раз теряем

в перемещении.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ Качественные задания.

И ПРИМЕНЕНИЕ № 1. Почему машинисты избегают остановки поездов на

ЗНАНИЙ. подъеме? (отвечает группа лингвистов).

№ 2 Брусок в положении В скользит по наклонной

плоскости,преодолевая трение. Будет ли

скользить брусок и в положении А? (ответ дают

точники).

Ответ: Будет, т. к. величина F трения бруска о плоскость не
зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Расчетные задачи.

№ 1. Найти силу, действующую параллельно длине наклонной плоскости, высота которой 1м., длина 8 м., чтобы удержались на наклонной плоскости груз весом 1,6 *10³ Н

Дано: Решение:

Ответ: 2000Н

№2. Чтобы удержать на ледяной горе санки с седоком весом 480 Н, нужна сила 120 Н. Наклон горки по всей ее длине постоянный. Чему равна длина горы, если высота 4 м.

Дано: Решение:

Ответ: 16м

№ 3. Автомобиль весом 3*104 Н равномерно движется на подъеме длиной 300 м. и высотой 30м. Определить силу тяги автомобиля, если сила трения колес о грунт 750 Н. Какую работу совершает двигатель на этом пути?

Дано: Решение:

P = 3*104H Сила, необходимая для подъема
Fтр = 750H автомобиля без учета трения

h =30м Сила тяги равна: Fтяг= F+Fтр=3750H

Fтяг-?, A -? Работа двигателя: А= Fтяг*L

A=3750H*300м=1125*103Дж

Ответ: 1125кДж

Подведение итогов урока, оценивание работы учащихся консультантами используя карту внутридифференцированного подхода к видам деятельности на уроке.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ § 72 повт. § 69,71. с. 197 у. 41 №5

Аналогично рычагу , наклонные плоскости уменьшают усилие, необходимое для подъема тел. Например, бетонный блок весом 45 килограммов поднять руками довольно сложно, однако втащить его наверх по наклонной плоскости вполне возможно. Вес тела, размещенного на наклонной плоскости, раскладывается на две составляющие, одна из которых параллельна, а другая перпендикулярна ее поверхности. Для перемещения блока вверх по наклонной плоскости человек должен преодолеть только параллельную составляющую, величина которой растет с увеличением угла наклона плоскости.

Наклонные плоскости весьма разнообразны по конструктивному выполнению. Например, винт состоит из наклонной плоскости (резьбы), обвивающей по спирали его цилиндрическую часть. При вворачивании винта в деталь, его резьба проникает в тело детали, образуя очень прочное соединение за счет большого трения между деталью и витками резьбы. Тиски преобразуют действие рычага и вращательное движение винта в линейную сдавливающую силу. По такому же принципу работает и домкрат, используемый для подъема тяжелых грузов.

Силы на наклонной плоскости

У тела, находящегося на наклонной плоскости, сила тяжести действует параллельно и перпендикулярно ее поверхности. Для перемещения тела вверх по наклонной плоскости необходима сила, равная по величине составляющей силы тяжести, параллельной поверхности плоскости.

Наклонные плоскости и винты

Родство винта с наклонной плоскостью легко проследить, если обернуть цилиндр разрезанным по диагонали листом бумаги. Образующаяся спираль идентична по расположению резьбе винта.

Силы, действующие на винт

При повороте винта его резьба создает очень большую силу, приложенную к материалу детали, в которую он ввернут. Эта сила тащит винт вперед, если он поворачивается по часовой стрелке, и назад, если он поворачивается против часовой стрелки.

Винт для подъема тяжестей

Вращающиеся винты домкратов развивают огромную силу, позволяя им поднимать столь тяжелые тела как легковые или грузовые автомобили. При повороте центрального винта рычагом два конца домкрата стягиваются вместе, производя необходимый подъем.

Наклонные плоскости для расщепления

Клин состоит из двух наклонных плоскостей, соединенных своими основаниями. При забивании клина в дерево наклонные плоскости развивают боковые силы, достаточные для расщепления самых прочных пиломатериалов.

Сила и работа

Несмотря на то, что наклонная плоскость может облегчить задачу, она не уменьшает количество работы, требующееся для ее выполнения. Подъем бетонного блока весом 45 кг (W) на 9 метров вертикально вверх (дальний рисунок справа) требует совершения работы 45x9 килограммометров, что соответствует произведению веса блока на величину перемещения. Когда блок находится на наклонной плоскости с углом наклона 44,5°, сила (F), необходимая для втаскивания блока, уменьшается до 70 процентов от его веса. Хотя это и облегчает перемещение блока, зато теперь, чтобы, поднять блок на высоту 9 метров, его необходимо тащить по плоскости 13 метров. Другими словами выигрыш в силе равен высоте подъема (9 метров), деленной на длину перемещения по наклонной плоскости (13 метров).