50. Элементы статики. Простые механизмы (основной урок)

Условие равновесия для материальной точки: чтобы материальная точка находилась в равновесии, сумма сил, приложенных к точке, должна равняться нулю.

Пример: все мы с детства помним сказку про лебедя, рака и щуку. Как известно, они так и не сумели сдвинуть воз, потому что сумма сил, приложенных к возу, была равна нулю.

Плечо силы () – это минимальное расстояние от заданной точки до прямой, вдоль которой действует сила.

Пример: на рисунке, представленном ниже, плечо силы обозначено как и .

Момент силы – это произведение силы на ее плечо. Знак момента силы зависит от направления, в котором сила вращает тело.

Пример: наиболее наглядным примером момента силы может служить поворачивание гайки гаечным ключом. Гайки заворачивается вращением, для этого к ним прикладывается момент, но сам момент возникает при воздействии нашей силы на гаечный ключ. Вы, конечно, интуитивно понимаете: для того чтобы посильнее закрутить гайку, надо взяться за ключ как можно дальше от нее. В этом случае, прикладывая ту же силу, мы получаем большую величину момента за счет увеличения его плеча ().

Условия равновесия тел

1) Векторная сумма всех действующих на тело сил равна нулю.

2) Сумма моментов сил равна нулю или момент силы, вращающей тело по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки.

Пример: какой массы груз надо подвесить в точке А (см. рис.), чтобы рычаг находился в равновесии? Масса каждого груза равна 100 г, расстояние между соседними штрихами на рычаге равно 10 см.

Из правила моментов следует, что рычаг будет находиться в равновесии, если , где , и  – силы, действующие на грузы (см. рис.).

Поскольку , тогда .

Из этого равенства получаем:

Расчет:

Центром тяжести тела называется точка, относительно которой суммарный момент сил тяжести, действующих на систему, равен нулю.

Пример: в системе, состоящей из 2 одинаковых масс, соединённых несгибаемым стержнем, и помещённой в однородное гравитационное поле планеты, центр масс будет находиться в середине стержня, так же, как и центр тяжести (в постоянном параллельном (однородном) гравитационном поле, центр тяжести всегда совпадает с центром масс).

Виды равновесия

1. Устойчивое равновесие. При отклонении тела от положения равновесия обычно нарушается и равновесие сил, но под действием равнодействующей силы тело стремится вернуться в исходное положение.

2. Неустойчивое равновесие. При отклонении тела от положения равновесия обычно нарушается и равновесие сил, но под действием равнодействующей силы тело отклоняется еще больше.

3. Безразличное или нейтральное равновесие. При любом положении тела равновесие сил сохраняется.

Пример: три типа равновесия на примере шара. В чаше: устойчивое равновесие – шар стремится вернуться в исходное положение; на лезвии ножа: неустойчивое равновесие – малейшее смещение приводит к его нарушению; на кухонной доске: безразличное равновесие – силы уравновешены в любой точке системы.

Механизм – это приспособление для преобразования силы (ее увеличения или уменьшения).

Простые механизмы – устройства, служащие для преобразования силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Это рычаги, блоки, наклонная плоскость.

Например: рассмотрим, какие бывают простые механизмы.

Наклонная плоскость – это плоская поверхность, установленная под углом к горизонтали. Наклонная плоскость является одним из простых механизмов. Она позволяет поднимать груз вверх, прикладывая к нему усилие, заметно меньшее веса этого груза.

Пример: для поднятия груза на судно моряки использовали трап. Он с землей и судном создает наклонную плоскость, что облегчало их труд.

Клин – одна из разновидностей простого механизма под названием наклонная плоскость. Это механизм в виде призмы, рабочие поверхности которого сходятся под острым углом. Используется для раздвижения, разделения на части обрабатываемого предмета.

Пример: клинья могут быть использованы для того, чтобы поднимать тяжёлые объекты и отделять их от поверхности, на которой они лежат. Они могут также использоваться для раскалывания древесины вдоль волокон.

Принцип клина используется в таких инструментах и орудиях, как топор, зубило, нож, гвоздь, игла, кол.

Винт – простейший механизм. Резьба винта, в сущности, представляет собой другой простейший механизм – наклонную плоскость, многократно обёрнутую вокруг цилиндра.

Примеры простых устройств с винтовой резьбой: домкрат, болт с гайкой, тиски.

Рычаг – простейшее механическое устройство, представляющее собой твёрдое тело (перекладину), вращающееся вокруг точки опоры.

Пример: в качестве рычага можно использовать перекладину, положенную на деревянную опору, для подъема камня.

Условие равновесия рычага: рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорционально плечам этих сил.

Пример: Алина выполнила лабораторную работу по исследованию условий равновесия рычага. Результаты для сил и их плеч, которые она получила, представлены в таблице. Чему будет равно плечо

 если рычаг находится в равновесии?

Воспользуемся условием равновесия рычага для нахождения плеча

:

Тогда

.

Ворот – простейший механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате (тросе, верёвке). Синоним простейшей лебёдки. В более широком смысле воротом называют рычаг (для создания крутящего момента), совершающий при работе полный оборот (вороток в слесарном инструменте, вороты привода мельничных жерновов от лошадей).

Пример: устройства, использующие принцип ворота, – ворот колодца с ручкой, отвёртка (разница диаметров жала и ручки), велосипед (педали, вращающие звёздочку), рулевое колесо автомобиля, штурвал судна и т. п. средства управления.

Блок – простое механическое устройство, позволяющее регулировать силу. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Желоб предназначен для каната, цепи, ремня и т. п.

Ось блока помещается в обоймах, прикреплённых на балке или стене, такой блок называется неподвижным (то есть ось блока закреплена); если же к этим обоймам прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться, то такой блок называется подвижным. Выигрыш в силе подвижного блока равен 2.

Пример

Ссылки на ресурсы Интернетурока

1. Блок

2. Простые механизмы. Рычаг  (Зотов А.Е.)

Ссылки на сторонние ресурсы

1. Википедия (Источник).

2. 5klass.net (Источник).

3. Festival.1september.ru (Источник). 

4. Isopromat.ru (Источник).

5. Словари и энциклопедии на Академике (Источник).

6. Википедия (Источник).