Рычаг. Системы рычагов. Рычаги в природе и технике.

Рас­смот­рим такой про­стой ме­ха­низм, как, на­при­мер, ло­па­та. Ко­неч­но, она об­лег­ча­ет вы­пол­не­ние ра­бо­ты, с ней на­мно­го легче ко­пать землю, чем ру­ка­ми. Мы во­ткну­ли ло­па­ту в землю. Чтобы под­нять ком земли, нужно на­да­вить на че­ре­нок. Где вы бу­де­те да­вить, чтобы было легче? Опыт под­ска­зы­ва­ет, что надо на­да­вить, то есть при­ло­жить силу, по­бли­же к концу че­рен­ка.

Выбор точки при­ло­же­ния силы

По­про­буй­те при­ло­жить силу ближе к по­лот­ну ло­па­ты, под­нять ком земли ста­нет на­мно­го тя­же­лее. При­кла­ды­вая преж­нюю силу, вы уже ни­че­го не под­ни­ме­те. Имен­но по­это­му ло­па­ты с ко­рот­ким че­рен­ком, на­при­мер са­пер­ные, де­ла­ют­ся с ма­лень­ким по­лот­ном: много земли с ко­рот­ким че­рен­ком все равно не под­ни­мешь.

Ло­па­та пред­став­ля­ет собой рычаг. Рычаг – это твер­дое тело, име­ю­щее непо­движ­ную ось вра­ще­ния (чаще всего это точка опоры или под­ве­са). На него дей­ству­ют силы, ко ­то­рые стре­мят­ся по­вер­нуть его во­круг оси вра­ще­ния. У ло­па­ты ось вра­ще­ния – это точка опоры на верх­нем краю ямки.

Ось вра­ще­ния ло­па­ты

На по­лот­но ло­па­ты с неко­то­рой силой дей­ству­ет комок земли, ко­то­рый мы под­ни­ма­ем, а на че­ре­нок, с мень­шей силой, – наши руки.

Дей­ствие сил

Общие сведения.

Груз перемещается поворотом рычага, происходящего под действием силы (тянущей или толкающей).С помощью рычага груз можно поднять с меньшим усилием, чем его вес, если поместить груз ближе к оси вращения, чем место приложения силы. Рычаги используются для:

· приложения силы на расстоянии от груза

· изменения направления действия силы

· увеличения действующей на груз силы. Существует версия, что при строительстве знаменитых египетских пирамид, блоки весом до 2,5 тонн поднимались с помощью двух рычагов

· увеличения расстояния, на который перемещается груз. Колодезный журавль используется для подъема воды из колодца

Архимед первым в III веке дон. сформулировал закон равновесия рычага, который подтверждает золотое правило механики «то, что мы выигрываем в силе, мы проигрываем в расстоянии». По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»

Гравюра из «Журнала механики», изданного в Лондоне в 1842 году, изображающая Архимеда, переворачивающего Землю с помощью рычага.

Интересный факт.

Рычаг не только используется человеком, но и тело человека само состоит из рычагов.

Ры­ча­гом яв­ля­ет­ся и наша рука. Мышцы руки со­кра­ща­ют­ся, и рука сги­ба­ет­ся в локте. При этом она может под­нять ка­кой-ни­будь груз, со­вер­шить ра­бо­ту. При этом на кости пред­пле­чья дей­ству­ют с неко­то­ры­ми си­ла­ми мышцы и груз.

Наша рука – рычаг

Ось вра­ще­ния пред­пле­чья – лок­те­вой су­став. Из таких ры­ча­гов со­сто­ит весь наш опор­но-дви­га­тель­ный ап­па­рат. И сам тер­мин «плечо ры­ча­га» на­зван так по ана­ло­гии с пле­чом од­но­го из ры­ча­гов в нашем теле – руки.

Мышцы так устро­е­ны, что они при со­кра­ще­нии не могут уко­ра­чи­вать­ся на те пол­мет­ра, на ко­то­рые нам нужно под­нять, на­при­мер, чашку с чаем. Нужно вы­иг­рать в пе­ре­ме­ще­нии, по­это­му мышцы кре­пят­ся ближе к су­ста­ву, к мень­ше­му плечу ры­ча­га. При этом нужно при­ло­жить бόльшую силу, но для мышц это не про­бле­ма.

Изучением устройства и функционирования органов движения человека занимается биомеханика.

Существуют три основных варианта расположения оси вращения, груза и точки приложения силы.

(Желтые детали обозначают место, куда надо прикладывать силу(держать, толкать, поднимать)при изучении принципиальных моделей. Чтобы принципиальные модели работали должным образом, их надо держать в правильном положении.)

Рычаг первого рода (рычаг равновесия) ось вращения расположена между точкой приложения силы и грузом –такие рычаги могут использоваться и для получения выигрыша в силе и для получения выигрыша в расстоянии.

Примеры: соединение позвоночника с черепом, качели, ножницы, подъёмный кран, лом.

В рычагах второго рода (рычаг силы) груз расположен между точкой приложения силы и осью вращения–такие рычаги обычно используются, чтобы получить выигрыш в силе.

Примеры: стопа, тачка, щипцы для колки орехов.

В рычагах третьего рода (рычаг скорости) точка приложения силы расположена между осью вращения и грузом –такие рычаги обычно используются, чтобы получить выигрыш в расстоянии.

Примеры: локтевые и коленные суставы, нижняя челюсть, пинцет.

Очень часто в механизмах встречается не один рычаг, а система рычагов, когда выходное усилие одного является плечом приложения силы другого.

Название детали: балка.

Балка, прикрепленная к вращающейся части, станет поршнем. Поршень—это подвижный компонент машины, преобразующий энергию, создаваемую двигателем, в движение вверх/вниз или вперед/назад. Поршень может тянуть, толкать или приводить в движение другие механические элементы машины.

Задание

Соберите модель рычага (любого рода): качели, катапульта колодезный журавль и т.д.