Подвижный блок дает выигрыш в силе: Какой выигрыш в силе дает подвижный блок ? неподвижный блок?

Подвижный блок

Подвижный блок отличается от неподвижного тем, что его ось не закреплена, и он может подниматься и опускаться вместе с грузом.

Рисунок 1. Подвижный блок

Как и неподвижный блок, 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.

Рисунок 2. Силы и плечи сил в подвижном блоке

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. Правило моментов в этом случае будет иметь вид:

$$mgr = F \cdot 2r \Rightarrow F = mg/2$$

Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза.

Обычно на практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным (рис. 3). Неподвижный блок применяется только для удобства. Он, изменяет направление действия силы, позволяет, например, поднимать груз, стоя на земле, а подвижный блок обеспечивает выигрыш в силе.

Рисунок 3. Комбинация неподвижного и подвижного блоков

Мы рассмотрели идеальные блоки, то есть такие, в которых не учитывалось действие сил трения. Для реальных же блоков необходимо вводить поправочные коэффициенты. Используют такие формулы:

Неподвижный блок

$F = f • mg $

Подвижный блок

$F = f • 1/2 mg $

В этих формулах: $F$ — прилагаемое внешнее усилие (обычно это сила рук человека), $m$ — масса груза, $g$ — коэффициент силы тяжести, $f$ — коэффициент сопротивления в блоке (для цепей примерно 1,05, а для верёвок 1,1).

Задача 1

С помощью системы из подвижного и неподвижного блоков грузчик поднимает ящик с инструментами на высоту $S_1$ = 7 м, прикладывая силу $F$ = 160 Н. Какова масса ящика, и сколько метров верёвки придётся выбрать, пока груз поднимется? Какую работу выполнит в результате грузчик? Сравните её с работой, выполненной над грузом по его перемещению. Трением и массой подвижного блока пренебречь.

Решение

Дано:

$F$ = 160 H

$S_1$ = 7 м

$m, S_2 , A_1 , A_2$ — ?

Подвижный блок даёт двойной выигрыш в силе и двойной проигрыш в перемещении. Неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, но меняет её направление. Таким образом, приложенная сила будет вдвое меньше веса груза: $F = 1/2P = 1/2mg$, откуда находим массу ящика: $m=\frac{2F}{g}=\frac{2\cdot 160}{9,8}=32,65\ кг$

Перемещение груза будет вдвое меньше, чем длина выбранной верёвки:

\[S_2=2S_1=2\cdot 7=14\ м\]

Выполненная грузчиком работа равна произведению приложенного усилия на перемещение груза: $A_2=F\cdot S_2=160\cdot 14=2240\ Дж\ $.

Работа, выполненная над грузом:

\[A_1=mgS_1=32,65\cdot 9,8\cdot 7=2240\ Дж\]

Ответ: Масса ящика 32,65 кГ. Длина выбранной верёвки 14 м. Выполненная работа равна 2240 Дж и не зависит от способа подъёма груза, а только от массы груза и высоты подъёма.

Подвижный блок, теория и примеры задач

Определение и общие понятия о подвижном блоке

На рис. 1(b) подвижный блок представлен как рычаг с плечами разной величины. При этом точка О является точкой опоры рычага. OA – плечо силы ; OB – плечо силы . Из рис. 1(b) следует, что плечо силы в два раза больше, чем плечо силы , значит величина силы F в два раза меньше, чем модуль силы P:

Мы получили, что подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза. Подвижный блок позволяет силой величиной F уравновесить силу величиной 2F. Условие равновесия подвижного блока можно записать как:

где F – усилие, которое прикладывают. Выражение (1) записано без учета силы трения в блоке. Если силу трения пытаются учесть, то формулу (1) могут записать в виде:

где k – коэффициент сопротивления для блока, так, например, для веревки .

Часто применяют сочетание подвижного блока и неподвижного. При этом неподвижный блок служит только для удобства. Он не дает выигрыша в силе, однако он позволяет изменять направление действия силы.

И так, подвижный блок обладает свободной осью и назначен для того, чтобы изменять величину прилагаемого усилия. В том случае, если концы веревки, которые обхватывают блок, составляют с горизонтом одинаковые углы, то отношение силы, оказывающей воздействие на груз к весу тела, равна отношению радиуса блока к хорде дуги, которую охватывает веревка. В случае параллельности веревок, сила необходимая для подъема груза требуется в два раза меньше, чем вес поднимаемого груза.

Золотое правило механики

Простые механизмы не приводят к выигрышу в работе. Во сколько раз получается выигрыш в силе, во столько же раз имеется проигрыш в расстоянии. Так как работа равна скалярному произведению сила на перемещение, следовательно, она не изменится при использовании подвижного (как и неподвижного) блоков.

Золотое правило было сформулировано в древности как: «То, что выиграно в силе, проиграно в пути (расстоянии)». Все простейшие механизмы хорошо иллюстрируют это правило. Следовательно, если при использовании подвижного блока мы получаем выигрыш в силе, равный двум, то расстояние, которое пройдет груз при поднятии будет в два раза меньше, чем пройдет точка, к которой приложена сила.

Подвижный блок можно использовать для выигрыша в расстоянии, при этом проигрывая в силе. Для этого силу прикладывают к его оси. При этом, если ось блока пройдет расстояние равное s, то конец веревки пройдет путь равный .

Примеры решения задач

Блоки как простые механизмы

☰

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.

Простые механизмы. Рычаг. Наклонная плоскость. Блоки

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

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 :

откуда

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 Aполн,
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:

=Aполезн/Аполн.

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:

Aполн=.

Полезная работа, очевидно, равна:

Аполезн=.

Для искомого КПД получаем:

Какой выигрыш в силе дает подвижный блок.

Чем отличается подвижный блок от неподвижного? Золотое правило механики

Блок представляет собой устройство, имеющее форму колеса с желобом, по которому пропускают веревку, трос или цепь. Различают два основных вида блоков — подвижный и неподвижный. У неподвижного блока ось закреплена и при подъеме грузов не поднимается и не опускается (рис. 54), а у подвижного блока ось перемещается вместе с грузом (рис. 55).

Неподвижный блок не дает выигрыша в силе. Его применяют для того, чтобы изменить направление действия силы. Так, например, прикладывая к веревке, перекинутой через такой блок, силу, направленную вниз, мы заставляем груз подниматься вверх (см. Рис. 54). Иначе обстоит дело с подвижным блоком. Этот блок позволяет небольшой силой уравновесить силу, в 2 раза большую. Для доказательства этого обратимся к рисунку 56. Прикладывая силу F , мы стремимся повернуть блок вокруг оси, проходящей через точку О . Момент этой силы равен произведению Fl , где l — плечо силы F , равное диаметру блока ОВ . Одновременно с этим прикрепленный к блоку груз своим весом Р создает момент, равный, где — плечо силы Р , равное радиусу блока ОА . Согласно правилу моментов (21.2)

что и требовалось доказать.

Из формулы (22.2) следует, что P/F = 2. Это означает, что выигрыш, в силе, получаемый с помощью подвижного блока, равен 2 . Опыт, изображенный на рисунке 57, подтверждает этот вывод.

На практике часто применяют комбинацию подвижного блока с неподвижным (рис. 58). Это позволяет изменить направление силового воздействия с одновременным двукратным выигрышем в силе.

Для получения большего выигрыша в силе применяют грузоподъемный механизм, называемый полиспастом . Греческое слово «полиспаст» образовано из двух корней: «поли» — много и «спао» — тяну, так что в целом получается «многотяг».

Полиспаст представляет собой комбинацию из двух обойм, одна из которых состоит из трех неподвижных блоков, а другая — из трех подвижных блоков (рис. 59). Поскольку каждый из подвижных блоков удваивает силу тяги, то в целом полиспаст дает шестикратный выигрыш в силе.

1. Какие два вида блоков вы знаете? 2. Чем отличается подвижный блок от неподвижного? 3. Для какой цели применяют неподвижный блок? 4. Для чего используют подвижный блок? 5. Что представляет собой полиспаст? Какой выигрыш в силе он дает?

Темы кодификатора ЕГЭ: простые механизмы, КПД механизма.

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

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).

Неподвижный блок.

К левому концу нити в точке приложена сила .

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 .

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 ).

Наклонная плоскость.

Проектируем на ось :

Именно такую силу нужно приложить, что двигать груз вверх по наклонной плоскости.

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.

т. е. ту же самую, что и при вертикальном поднятии груза.

Данные факты служат проявлениями так называемого золотого правила механики.

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.

=A полезн/А полн.

КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.

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.

Команда «Физические пираты»

Исследовательское задание

Применяя систему блоков, получите выигрыш в силе в 2,3,4 раза. Какой выигрыш ещё получился? Представьте схемы соединения блоков и фото .

Цель: Применяя систему блоков, получить выигрыш в силе в 2,3,4 раза.

План:

Изучить, что такое блоки, для чего они нужны.

Провести эксперименты с блоками, получить выигрыш в силе в 2,3,4 раза.

Оформить работу.

Сделать фотоотчёт.

Отчёт:

Изучили, что неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза.

Выдвинули гипотезу :

Опыт№1. Получение выигрыша в силе в 2 раза с помощью подвижного блока .

Оборудование: штатив, 2 муфты, 1 лапка, стержень, 1 подвижный блок, 1 неподвижный блок, гиря массой 1 кг (весом 10 Н), динамометр, верёвка.

Проведение эксперимента:

1.На штативе закрепить неподвижный блок, стержень, так, чтобы плоскость неподвижного блока и конец стержня лежали в одной плоскости.

2. Один конец верёвки закрепить на стержне, верёвку перебросить через подвижный блок и через неподвижный блок.

3. К крючку подвижного блока подвесить гирю, к свободному концу верёвки прицепить динамометр.

5.Сделать вывод.

Результаты измерений:

Вывод: F = Р/2, выигрыш в силе в 2 раза.

Оборудование. Установка для опыта № 1.

Проведение опыта№1.

Опыт №2. Получение выигрыша в силе в 4 раза с помощью 2-х подвижных блоков.

Оборудование: штатив, 2 подвижных блока, 2 неподвижных блока, 2 гири массой 1 кг (весом 10 Н) каждая, динамометр, верёвка.

Проведение эксперимента:

1.На штативе с помощью 3 муфт и 2 лапок закрепить 2 неподвижных блока и стержень, так, чтобы плоскости блоков и конец стержня лежали в одной плоскости.

2. Один конец верёвки закрепить на стержне, верёвку перебросить последовательно через 1-й подвижный блок, 1-й неподвижный блок, 2-й подвижный блок, 2-й неподвижный блок.

3. К крючку каждого подвижного блока подвесить гирю, к свободному концу верёвки прицепить динамометр.

4. Измерить силу тяги (руки) динамометром, сравнить её с весом гирь.

5.Сделать вывод.

Установка для опыта №2.

Результаты измерений:

Вывод: F = Р/4, выигрыш в силе в 4 раза.

Опыт № 3. Получение выигрыша в силе в 3 раза с помощью 1-ого подвижного блока.

Для получения выигрыша в силе в 3 раза, надо использовать 1,5 подвижного блока. Так как нельзя отделить от подвижного блока половину, то следует использовать верёвку дважды: один раз перекинуть верёвку через него полностью, второй раз прицепить конец верёвки к его половине, т. е. к центру.

Оборудование: штатив, 1 подвижный блок с двумя крючками, 1 неподвижный блок, 1 гиря массой 1 кг (весом 10 Н), динамометр, верёвка.

Проведение эксперимента:

1.На штативе с помощью муфты закрепить 1 неподвижный блок.

2. Один конец верёвки прицепить к верхнему крючку подвижного блока, к нижнему крючку подвижного блока прицепить гирю.

3. Верёвку перекинуть последовательно от верхнего крючка подвижного блока через неподвижный блок, снова вокруг подвижного блока и снова через неподвижный блок, к свободному концу верёвки подцепить динамометр. Должно получиться 3 верёвки, на которые опирается подвижный блок – 2 по краям (полный блок) и одна к его центру (половина блока). Таким образом, мы используем 1,5 подвижного блока.

4. Измерить силу тяги (руки) динамометром, сравнить её с весом гири.

5.Сделать вывод.

Установка к опыту № 3. Проведение опыта№ 3.

Результаты измерений:

Вывод: F = Р/3, выигрыш в силе в 3 раза.

Вывод:

Проделав опыты №№1-3, мы проверили гипотезу, выдвинутую перед исследованием. Она подтвердилась. По результатам опытов, мы выяснили, следующие факты:

чтобы получить выигрыш в силе в 2 раза, нужно применить 1 подвижный блок;

чтобы выиграть в силе в 4 раза, надо применить 2 подвижных блока;

чтобы выиграть в 3 раза, надо применить 1,5 подвижных блока.

Также заметили, что выигрыш в силе равен числу верёвок, на которые опираются подвижные блоки:

в опыте №1: 1подвижный блок опирается на 2 верёвки – выигрыш в силе в 2 раза;

в опыте №2: 2 подвижных блока опираются на 4 верёвки – выигрыш в силе в 4 раза;

в опыте №3 подвижный блок опирается на 3 верёвки – выигрыш в силе в 3 раза.

Эту закономерность можно применять для получения любого числа выигрыша в силе. Например, для получения выигрыша в 8 раз надо применить 4 подвижных блока, чтобы они опирались на 8 верёвок.

Приложение:

Схемы блоков для опытов №№1-3.

См. на следующей странице.

Блок | Физика

Неподвижный блок не дает выигрыша в силе. Его применяют для того, чтобы изменить направление действия силы. Так, например, прикладывая к веревке, перекинутой через такой блок, силу, направленную вниз, мы заставляем груз подниматься вверх (см. Рис. 54).Иначе обстоит дело с подвижным блоком. Этот блок позволяет небольшой силой уравновесить силу, в 2 раза большую. Для доказательства этого обратимся к рисунку 56. Прикладывая силу F, мы стремимся повернуть блок вокруг оси, проходящей через точку О. Момент этой силы равен произведению Fl, где l — плечо силы F, равное диаметру блока ОВ. Одновременно с этим прикрепленный к блоку груз своим весом Р создает момент, равный, где — плечо силы Р, равное радиусу блока ОА. Согласно правилу моментов (21.2)

, (22.1)

откуда

, (22.2)

что и требовалось доказать.

Из формулы (22.2) следует, что P/F = 2. Это означает, что выигрыш, в силе, получаемый с помощью подвижного блока, равен 2. Опыт, изображенный на рисунке 57, подтверждает этот вывод.

Для получения большего выигрыша в силе применяют грузоподъемный механизм, называемый полиспастом. Греческое слово «полиспаст» образовано из двух корней: «поли» — много и «спао» — тяну, так что в целом получается «многотяг».

Презентация «Простые механизмы. Блок»

Простые механизмы. Блок.

В современной технике для переноса грузов на стройках и предприятиях широко используются грузоподъемные механизмы, незаменимыми составными частями которых можно назвать простые механизмы. Среди них древнейшие изобретения человечества: блок и рычаг.

Древнегреческий ученый Архимед облегчил труд человека, дав ему при использовании своего изобретения выигрыш в силе, и научил менять направление действия силы.

Неподвижный блок. Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. По желобу блока пропускают веревку, трос или цепь.

1. Неподвижным блоком называют такой блок, ось которого закреплена и при подъеме грузов не поднимается и не опускается. 2. Неподвижный блок изменяет направление силы. 3. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе.

Подвижный блок.

Подвижный блок. Подвижный блок – это блок ось которого поднимается и опускается вместе с грузом. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза.

«Золотое правило механики». Во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. Получая выигрыш в силе в два раза, проигрывают в два раза в пути.

Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил его на практике. По свидетельству Афинея, «для спуска на воду исполинского корабля, построенного сиракузским тираном Гиероном, придумывали много способов, но механик Архимед, применив простые механизмы, один сумел сдвинуть корабль с помощью немногих людей. Архимед придумал блок и посредством него спустил на воду громадный корабль».

Грузоподъемные устройства обычно используют не один, а несколько блоков. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспаст.

Эта комбинация подвижных и неподвижных блоков на линии электрифицированной железной дороги для регулировки натяжения проводов.

Спортивные парусные суда, как и парусники прошлого, не могут обойтись без блоков при постановке парусов и управлении ими. Современным судам нужны блоки для подъема сигналов, шлюпок.

Такой системой блоков могут пользоваться планеристы для подъема в воздух своих аппаратов.

Проверь себя! 1. Получаем ли мы выигрыш в силе, используя неподвижный блок? Почему? 2. Встречались ли вы в жизни с использованием неподвижного блока? 3. Получаем ли мы выигрыш в силе, используя подвижный блок? 4. Какой максимальный выигрыш в силе можно получить, используя один подвижный блок? Почему? 5. «Золотое правило механики» гласит, что получить выигрыш в силе невозможно, не проиграв в расстоянии. Прокомментируйте данное правило на основе рисунка подвижного блока.

Проверь себя! Реши задачу. Какую силу необходимо приложить к веревке в случае использования подвижного блока, чтобы вручную поднять груз весом 200 Н? Сколько веревки нам придется вытянуть для подъема груза на 20 см вверх?

Проверь себя. 1.Через неподвижный блок перекинута веревка. Один конец ее прикреплен к поясу монтажника, а второй он тянет вниз с некоторой силой. Какова эта сила, если вес рабочего 700 Н? Трением в блоке и массой веревки пренебречь. 2. При проверке динамометром оказывается, что сила, удерживающая груз на неподвижном блоке, немного меньше силы тяжести груза, а при равномерном подъеме больше ее. Чем это объясняется? 3.Почему у подъемных строительных кранов крюк, который переносит груз, закреплен не на конце троса, а на обойме подвижного блока?

Ответы. 1. Действующую на монтажника силу тяжести уравновешивает сумма сил упругости свисающих с блока концов веревки. Поэтому сила натяжения каждого из них равна половине веса человека. Значит, рабочий тянет конец веревки с силой 350 Н. 2. Действием силы трения. 3. Такое крепление дает возможность уменьшить натяжение троса вдвое (если не учитывать трение в блоках).

Пора делать выводы! Я сам …………………………………… Самым трудным было? ……………….. Есть предложение! …………………….

Подвижный блок. Подвижный и фиксированный блок Несколько подвижных блоков Прирост силы

Чаще всего для набора силы используются простые механизмы. То есть с меньшим усилием перемещать больший вес по сравнению с ним. В этом случае прирост мощности не достигается «бесплатно». Цена за это — потеря расстояния, то есть требуется больше движения, чем без использования простого механизма. Однако, когда силы ограничены, выгодна «торговля» расстоянием на силу.

Подвижный и неподвижный блоки являются одними из типов простых механизмов.Кроме того, они представляют собой доработанный рычаг, который также представляет собой простой механизм.

Фиксированный блок не дает прироста силы, он просто меняет направление своего применения. Представьте, что вам нужно поднять на веревке тяжелый груз. Вам придется его подтянуть. Но если использовать стационарный блок, то тянуть придется, а груз поднимется вверх. В этом случае вам будет легче, так как необходимая сила будет складываться из силы мышц и вашего веса.Без использования фиксированного блока пришлось бы приложить ту же силу, но это было бы достигнуто исключительно за счет силы мышц.

Неподвижный блок — колесо с канатным желобом. Колесо закреплено, оно может вращаться вокруг своей оси, но не может двигаться. Концы веревки (троса) свисают вниз, к одному прилагается нагрузка, а к другому прикладывается сила. Если потянуть веревку вниз, груз поднимется вверх.

Поскольку нет увеличения силы, нет потери в расстоянии.На какое расстояние поднимется груз, на такое же расстояние нужно опустить веревку.

Использование прокатного блока дает прирост прочности вдвое (в идеале). Это означает, что если вес груза равен F, то для его подъема необходимо приложить силу F / 2. Подвижный блок состоит из того же колеса с канавкой для троса. Однако здесь один конец троса закреплен, а колесо подвижно. Колесо движется с грузом.

Вес груза — это направленная вниз сила.Он уравновешивается двумя восходящими силами. Один создается опорой, к которой крепится кабель, а другой тянется за кабель. Сила натяжения троса одинакова с обеих сторон, а это означает, что вес груза равномерно распределяется между ними. Следовательно, каждая из сил в 2 раза меньше веса груза.

В реальных ситуациях прирост силы составляет менее 2-х раз, так как подъемная сила частично «расходуется» на вес каната и блока, а также на трение.

Подвижный блок дает почти двукратный прирост силы и двукратную потерю дистанции. Чтобы поднять груз на определенную высоту h, необходимо, чтобы веревки с каждой стороны блока уменьшались на эту высоту, то есть общая сумма равна 2h.

Обычно используются комбинации неподвижных и подвижных блоков — блоки шкивов. Они позволяют увеличить силу и направление. Чем больше подвижных блоков в блоке шкива, тем больше прирост прочности.

Библиографическое описание: Шумейко А.В., Веташенко О.Г. Современный взгляд на простой механизм «блок», изученный по учебникам физики для 7 класса // Молодой ученый. — 2016. — №2. — С. 106-113..07.2019).

Учебники физики для 7 класса, при изучении простого блочного механизма интерпретируют усиление в Усилие при подъеме груза с использованием этого механизма, например: в Учебник Перышкина И. Б.выигрыши в прочность достигается с с помощью блока колеса, на который действуют рычажные силы, а в учебнике Генденштейна Л. E. Такой же прирост получается с с помощью троса, на который действует сила натяжения троса. Разные учебники, разные предметы и разные силы — получить приз в усилие при подъеме груза. Поэтому целью данной статьи является поиск предметов и сил, с за счет чего выручка в усилие, при подъеме груза простым блочным механизмом.

Ключевые слова:

Сначала познакомимся и сравним, как получают прирост силы, при поднятии груза простым блочным механизмом, в учебниках физики для 7 класса, для наглядности в таблице поместим отрывки из учебников с такими же понятиями .

А. В. Перышкин Физика. 7-й класс.

§ 61. Применение правила равновесия рычага к блоку, с. 180-183.

Генденштейн Л.Е. Физика. 7-й класс.

§ 24. Простые механизмы, с. 188–196.

«Блок — колесо с канавкой, укрепленное в обойме. Через желоб блока пропускается канат, трос или цепь.

«Неподвижным блоком называется такой блок, ось которого неподвижна и не поднимается и не опускается при подъеме груза (рис. 177).

Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса (рис. 178): ОА = ОВ = r.

Такой блок не дает прироста силы.

(F1 = F2), но позволяет менять направление силы. «

«Стационарный блок дает вам прирост силы? … на рис. 24.1а веревка натягивается силой, прилагаемой рыбаком к свободному концу веревки.Сила натяжения троса по длине троса остается постоянной, следовательно, от стороны троса до груза (рыба ) действует тот же модуль силы. Поэтому стационарный блок не дает прироста силы.

6. Как использовать фиксированный блок для увеличения силы? Если человек поднимает самостоятельно, , как показано на рисунке 24.6, тогда вес человека распределяется поровну между двумя частями троса (на противоположных сторонах блока). Следовательно, человек поднимается, прилагая силу, равную половине его веса »,.

«Подвижный блок — это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом (рис. 179).

На рисунке 180 изображен соответствующий рычаг: О — точка опоры рычага,

AO — плечо силы P и OB — плечо силы F.

Поскольку плечо OB в 2 раза больше плеча OA,

, то сила F в 2 раза меньше силы P: F = P / 2.

Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силы 2 раза «.

«пять. Почему подвижный блок дает выигрыш в силы в дважды?

Когда груз поднимается равномерно, подвижный блок также перемещается равномерно. Это означает, что равнодействующая всех приложенных к нему сил равна нулю. Если массой блока и трением в нем можно пренебречь, то можно предположить, что к блоку приложены три силы: масса груза P, направленная вниз, и две одинаковые силы натяжения троса F, направленные вверх. .Поскольку равнодействующая этих сил равна нулю, то P = 2F, то есть вес груза в 2 раза превышает натяжение троса. Но сила натяжения троса — это как раз та сила, которая прикладывается при поднятии груза с помощью подвижного блока. Таким образом, мы доказали , что подвижный блок дает выигрыш в прочность 2 раза «.

«Обычно на практике используется комбинация неподвижного блока с подвижным (рис.181).

Фиксированный блок предназначен только для удобства. Он не дает прироста силы, но меняет направление действия силы, например, позволяет поднимать груз стоя на земле.

Рис. 181. Комбинация подвижного и неподвижного блоков — шкив ».

«12. На рис. 24.7 показана система

блоков. Сколько там движущихся блоков и сколько неподвижных?

Какой прирост прочности дает такая система блоков, если трение и

массой блоков можно пренебречь? «…

Рисунок 24.7. Ответ на странице 240: «12. Три подвижных блока и один . исправлено; 8 раз. «

Подведем итоги обзора и сравнения текстов и рисунков в учебниках:

Доказательства получения прироста в учебнике А. В. Перышкина проводятся по активной силе — силе рычага; при подъеме груза неподвижный блок не дает прироста силы, а подвижный блок дает прирост силы в 2 раза.Нет упоминания о тросе, на котором груз висит на неподвижном блоке и подвижном блоке с грузом.

С другой стороны, в L.E. В учебнике Генденштейна доказательства прибавки в силе проводятся на тросе, на котором висит груз или подвижный блок с грузом, а действующая сила — это сила натяжения троса; при подъеме груза стационарный блок может дать двукратный прирост прочности, а о рычаге на колесе блока в тексте нет упоминания.

Поиск литературы, описывающей, как получить прибавку в силе с помощью блока и троса, привел к «Начальному учебнику физики» под редакцией академика Г.С. Ландсберга в §84.На страницах 168–175 даны описания простых машин: «простой блок, двойной блок, ворота, цепная таль и блок дифференциала». Ведь по своей конструкции «двойной блок дает прирост прочности при подъеме груза за счет разницы в длине радиусов блоков», с помощью которых груз поднимается, а цепная таль дает выигрыш в прочность при подъеме груза за счет троса, на нескольких частях которого висит груз. «Таким образом, удалось выяснить, почему блок и трос (трос) по отдельности дают прирост прочности при подъеме груза, но не удалось выяснить, как блок и трос взаимодействуют друг с другом и передают вес нагрузки друг на друга, так как груз может быть подвешен на тросе, а трос перекинут через блок или груз может повиснуть на блоке, а блок висит на тросе.Оказалось, что сила натяжения троса постоянна и действует по всей длине троса, поэтому передача веса груза тросом на блок будет в каждой точке контакта троса и блока. , а также передача веса подвешенного на блоке груза на трос. Для выяснения взаимодействия блока с тросом проведем эксперименты по получению прироста силы подвижным блоком при подъеме груза с использованием оборудования школьного кабинета физики: динамометров, лабораторных блоков и набора гирь в 1N (102 г).Мы начнем эксперименты с подвижным блоком, потому что у нас есть три разные версии, получающие от этого блока усиление силы. Первая версия — «Рис.180. Подвижный блок как рычаг с неодинаковыми плечами »- учебник А. В. Перышкина, второй« Рис. 24.5 … две одинаковые силы натяжения троса F », — по учебнику Л.Е. Генденштейна, и, наконец, третий» Рис. 145. Полипаст »… Подъем груза подвижной клетью цепной тали на нескольких частях одного каната — по учебнику Г.С. Ландсберг.

Опыт №1 «Рис. 183»

Провести эксперимент №1, получение прироста силы на подвижном блоке с «рычагом с неравноплечими ОАВ рис.180» по учебнику А.В. Перышкина, позиция 1 на подвижном блоке »рис. На« рис. . 180 «, и мы начнем поднимать груз из положения 1 в положение 2. В этот же момент блок начинает вращаться против часовой стрелки вокруг своей оси в точке A, а точка B — конец рычага, за которым происходит подъем, выходит за полукруг, по которому трос огибает подвижный блок снизу.Точка O — точка опоры рычага, который должен быть закреплен, опускается вниз, см. «Рис. 183» — положение 2, то есть рычаг с неодинаковыми плечами OAB меняется как рычаг с равными плечами (точки O и B проходят те же тропы).

На основании полученных в эксперименте № 1 данных об изменении положения рычага ГАБ на подвижном блоке при подъеме груза из положения 1 в положение 2 можно сделать вывод, что представление подвижного блока в виде рычага с неравным плечи на «Рис. 180 «при подъеме груза с поворотом блока вокруг своей оси соответствует рычагу с равноплечий, который не дает прироста силы при подъеме груза.

Эксперимент № 2 начнем с прикрепления динамометров к концам троса, на который мы будем подвешивать подвижный блок весом 102 г, что соответствует силе тяжести 1 Н. Закрепим один из концов троса. трос к подвесу, а за другой конец троса будем поднимать груз на подвижный блок.Перед подъемом показания обоих динамометров на 0,5 Н, в начале подъема показания динамометра, для которого происходит подъем, изменились на 0,6 Н, и остались таковыми во время подъема, в конце подъема. подъема показания вернулись к 0,5 Н. Показания динамометра, закрепленного на неподвижном подвесе, не изменились при подъеме и остались равными 0,5 Н. Проанализируем результаты эксперимента:

Перед подъемом, когда на подвижном блоке висит груз 1 Н (102 г), вес груза распределяется по всему колесу и всем полукругом передается на трос, огибающий блок снизу. колеса.
Перед подъемом показания обоих динамометров по 0,5 Н, что свидетельствует о распределении веса груза 1 Н (102 г) на две части троса (до и после блока) или о том, что сила натяжения кабеля составляет 0,5 Н и одинакова по всей длине кабеля (которая в начале совпадает с концом кабеля) — оба эти утверждения верны.

Сравним анализ опыта № 2 с вариантами учебников по получению 2-кратного прироста силы подвижным блоком.Начнем с утверждения в L.E. Учебник Генденштейна «… к блоку приложены три силы: вес груза P, направленный вниз, и две одинаковые силы натяжения троса, направленные вверх (рис. 24.5)». Точнее, это будет утверждение, что вес груза на «рис. 14,5 дюйма делится на две части кабеля, до и после блока, поскольку сила натяжения кабеля равна единице. Осталось проанализировать подпись под «рис.181» из учебника А.В.Перышкин «Комбинация подвижных и неподвижных блоков — шкивный блок». Описание устройства и получение прибавки в силе при подъеме груза с помощью цепной тали дано в Учебнике элементарной физики под ред. Lansberg GS, где сказано: «Каждый кусок веревки между блоками будет воздействовать на движущуюся нагрузку с силой T, и все части веревки будут действовать с силой nT, где n — количество отдельных участков веревки, соединяющих обе части блока «. Получается, что если «рис.181 »мы применяем прибавку в силе за счет« веревки, соединяющей обе части »блока шкива из учебника элементарной физики Г.С. Ландсберга, затем описание увеличения силы подвижным блоком на« рис. 179 и, соответственно, рис. 180 «будет ошибкой.

Проанализировав четыре учебника физики, мы можем сделать вывод, что существующее описание получения прироста силы с помощью простого блочного механизма не соответствует реальному положению дел и, следовательно, требует нового описания работы простого блочного механизма.

Подъемное устройство простое состоит из блока и троса (троса или цепи).

Блоки данного подъемного механизма подразделяются на:

по конструкции на простые и сложные;

методом подъема груза на подвижный и неподвижный.

Начнем знакомство с конструкцией блоков с простой блок , представляющий собой вращающееся вокруг своей оси колесо с проточкой по окружности для кабеля (троса, цепи) Рис.1 и его можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса: ОА = ОВ = r. Такой блок не дает прироста прочности, но позволяет изменять направление движения троса (троса, цепи).

Двойной блок состоит из двух блоков разного радиуса, жестко скрепленных между собой и установленных на общей оси на рис. 2. Радиусы блоков r1 и r2 разные и при подъеме груза они действуют как рычаг с неравные рычаги, а прирост прочности будет равен отношению длин радиусов блока большего диаметра к блоку меньшего диаметра F = P · r1 / r2.

Выход состоит из цилиндра (барабана) и прикрепленной к нему ручки, которая действует как блок большого диаметра. Прирост силы, создаваемый воротами, определяется отношением радиуса окружности R, описываемой ручкой, к радиусу радиус цилиндра r, на который наматывается канат F = P r / R.

Перейдем к способу подъема груза блоками. Судя по описанию конструкции, у всех блоков есть ось, вокруг которой они вращаются.Если ось блока неподвижна и не поднимается и не опускается при подъеме груза, то такой блок называется фиксированным блоком , простым блоком , двойным блоком, воротами.

У роликовый блок ось поднимается и опускается вместе с грузом рис. 10 и предназначен в основном для устранения изгиба кабеля в месте подвешивания груза.

Познакомимся с устройством и способом подъема груза со второй частью простого подъемного механизма — это трос, трос или цепь.Канат скручен из стальной проволоки, канат скручен из нитей или прядей, а цепь состоит из звеньев, соединенных между собой.

Способы подвешивания груза и получения прибавки в силе при подъеме груза веревкой:

На рис. 4, груз закреплен на одном конце троса, и если вы поднимаете груз за другой конец троса, то для подъема этого груза потребуется сила, немного превышающая вес груза, так как простой блок усиления в прочности не дает F = P.

На рис. 5 рабочий поднимается за трос, который огибает простой блок сверху, на одном конце первой части троса есть сиденье, на котором сидит рабочий, а для второй части троса трос рабочий поднимает себя с силой в 2 раза меньшей своего веса, потому что вес рабочего был разделен на две части троса, первая — от сиденья к блоку, а вторая — от блока к рукам. рабочего F = P / 2.

На рис.6 груз поднимается двумя рабочими с помощью двух тросов и вес груза равномерно распределяется между тросами, и поэтому каждый рабочий поднимет груз с силой, равной половине веса груза F = P / 2.

На рис.7 рабочие поднимают груз, который висит на двух частях одного троса, и вес груза распределяется поровну между частями этого троса (как между двумя тросами), и каждый рабочий поднимает груз с силой, равной до половины веса груза F = P / 2.

На рис. 8 конец троса, за который один из рабочих поднимал груз, был закреплен на неподвижном подвесе, вес груза распределялся на две части троса, и когда рабочий поднимал груз. другим концом троса сила, с которой рабочий будет поднимать груз, будет вдвое меньше веса груза F = P / 2 и подъем груза будет в 2 раза медленнее.

На рис. 9 груз висит на 3-х частях одного троса, один конец которого закреплен и прирост прочности при поднятии груза будет равен 3, так как вес груза распределяется на три части. кабель F = P / 3.

Для исключения изгиба и уменьшения силы трения в месте подвешивания груза устанавливается простой блок, при этом сила, необходимая для подъема груза, не изменилась, так как простой блок не дает прироста прочности 10 и 11, а сам блок будет называться подвижным блоком , так как ось этого блока поднимается и опускается вместе с грузом.

Теоретически груз может быть подвешен на неограниченном количестве частей одного троса, но практически ограничен шестью частями, и такой подъемный механизм называется блоком шкива , который состоит из фиксированного и подвижного держателей с простыми блоками, которые попеременно изгибаются тросом, один конец которого закреплен на неподвижной клетке, а груз поднимается на другом конце троса. Прирост прочности зависит от количества частей кабеля между фиксированными и подвижными зажимами, обычно 6 частей кабеля и прироста прочности в 6 раз.

В статье рассматриваются реальные взаимодействия блоков и троса при подъеме груза. Существующая практика определения того, что «неподвижный блок не дает прироста силы, а подвижный блок дает прирост прочности в 2 раза», ошибочно интерпретировала взаимодействие троса и блока в подъемном механизме и не отражала всего разнообразия конструкции блока, что привело к развитию односторонних ошибочных представлений о блоке.По сравнению с существующими объемами материала для изучения простого блочного механизма объем статьи увеличился вдвое, но это позволило наглядно и понятно объяснить процессы, происходящие в простом подъемном механизме, не только студентам, но и преподавателям. .

Литература:

Перышкин, А.В. Физика, 7 класс: учебник / А.В. Перышкин. — 3-е изд., Доп. — М .: Дрофа, 2014, — 224 с,: ил. ISBN 978-5-358-14436-1. § 61. Применение правила равновесия рычага к блоку, с.181-183.
Gendenstein, L.E. Физика. 7-й класс. В 14.00, часть 1. Учебник для учебных заведений / Л.Е. Генденштен, А.Б. Кайдалов, В.Б. Кожевников; изд. Орлова В.А., И. Ройзен. — 2-е изд., Перераб. — М .: Мнемосина, 2010.-254 с .: ил. ISBN 978-5-346-01453-9. § 24. Простые механизмы, с. 188–196.
Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга Том 1. Механика. Высокая температура. Молекулярная физика. — 10-е изд. — М .: Наука, 1985. § 84. Простые машины, с.168–175.
Громов С.В. Физика: Учебник. за 7 кл. общее образование. учреждений / С. В. Громов, Н. А. Родина. — 3-е изд. — М .: Просвещение, 2001.-158 с.: Ил. ISBN-5-09-010349-6. §22. Блок, с. 55-57.

Ключевые слова: блок, двойной блок, фиксированный блок, подвижный блок, блок шкива. .

Аннотация: Учебники физики для 7 класса при изучении простого блочного механизма по-разному трактуют прибавку в силе при подъеме груза с помощью этого механизма, например: в А. В учебнике В. Перышкина прирост силы достигается с помощью блочного колеса, на которое действуют силы рычага, а в учебнике Л. Генденштейна, такое же усиление получается с помощью троса, на который действует сила натяжения троса. Разные учебники, разные предметы и разные силы — чтобы набраться сил при поднятии груза. Поэтому цель данной статьи — поиск предметов и сил, с помощью которых получается прирост силы при подъеме груза простым блочным механизмом.

Описание устройства

Блок — это простой механизм, представляющий собой колесо с канавкой по окружности для веревки или цепи, которое может свободно вращаться вокруг своей оси. Однако веревка, переброшенная через ветку дерева, тоже в некоторой степени является блоком.

Зачем нужны блоки?

В зависимости от конструкции блоки могут позволять изменять направление приложенной силы (например, чтобы поднять определенный груз, подвешенный на веревке, перекинутой через ветку дерева, нужно потянуть другой конец веревки вниз. .. или в сторону). При этом прироста силы этот блок не даст. Такие блоки называются неподвижными , так как ось вращения блока жестко закреплена (конечно, если ветка не сломается). Такие блоки используются для удобства. Например, при подъеме груза на высоту намного легче тянуть веревку с переброшенным через блокдаун грузом, опираясь на нее, чем стоять сверху и тянуть груз с веревкой к себе.

Кроме того, есть блоки, которые позволяют не только изменять направление приложенной силы, но и дают прирост силы.Такой блок называется mobile , и он работает в точности противоположно движущемуся блоку.

Чтобы получить прибавку в силе, один конец веревки необходимо жестко закрепить (например, привязать к ветке). Далее на веревку устанавливается колесо с пазом, к которому подвешен груз (это нужно делать таким образом, чтобы колесо с грузом могло свободно ездить по нашей веревке) .Теперь натягиваем свободный конец веревки. вверх, мы увидим, что блок с грузом тоже начал подниматься.

Усилия, которые нам потребуются для подъема груза таким способом, будут примерно в 2 раза меньше веса груза вместе с блоком. К сожалению, данный обзорный блок не позволяет менять направление силы в широких пределах, поэтому часто используется в паре с неподвижным (жестко закрепленным) блоком.

Описание опыта

Во-первых, видео демонстрирует принцип работы неподвижного блока: грузы одинаковой массы подвешены к жестко закрепленному блоку, при этом блок находится в равновесии.Но стоит только вешать один лишний груз, так как преимущество сразу становится большим.

Далее, используя систему подвижных и неподвижных блоков, мы пытаемся достичь состояния равновесия, выбирая оптимальное количество грузов, подвешенных с обеих сторон. В результате блок уравновешивается, когда количество грузов, подвешенных к подвижному блоку, становится вдвое больше, чем грузов, подвешенных к свободному концу резьбы.

Таким образом, можно сделать вывод, что подвижный блок дает двойной прирост силы .

Это интересно

Знаете ли вы, что подвижные и неподвижные узлы широко используются в трансмиссионных механизмах автомобилей? Кроме того, блоки используются строителями для подъема больших и малых грузов (ну или самих себя. Например, при ремонте внешних фасадов зданий строители часто работают в люльке, которая может перемещаться между этажами. Завершив работы на полу, рабочие могут быстро переместить люльку на этаж выше, используя только собственные силы). Блоки получили такое широкое распространение из-за простоты сборки и простоты использования.

В современной технике для перемещения грузов на строительных площадках и предприятиях широко используются подъемные механизмы, незаменимые составные части, которые можно назвать простыми механизмами. Среди них самые старые изобретения человечества: блок и рычаг. Древнегреческий ученый Архимед облегчил человеку работу, дав ему прибавку в силе при использовании своего изобретения, и научил его изменять направление действия силы.

Блок — колесо с пазом по окружности для троса или цепи, ось которого жестко прикреплена к стеновой или потолочной балке.

В подъемных устройствах обычно используется не один, а несколько блоков. Система блоков и тросов, предназначенная для увеличения грузоподъемности, называется цепной таль.

Подвижный и неподвижный блок — такие же древние простые механизмы, как рычаг. Уже в 212 г. до н.э. с помощью крюков и захватов, соединенных с блоками, сиракузяне отобрали у римлян осадные средства. Архимед руководил строительством военной техники и обороной города.

Архимед считал неподвижный блок равноплечным рычагом.

Момент силы, действующий на одну сторону блока, равен моменту силы, приложенной с другой стороны блока. Силы, создающие эти моменты, одинаковы.

Прироста силы нет, но такая блокировка позволяет менять направление действия силы, что иногда бывает необходимо.

Архимед принял подвижный блок за неравноправный рычаг, который дает двукратный прирост прочности. Моменты сил действуют относительно центра вращения, который в состоянии равновесия должен быть равен.

Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил их на практике. По словам Афинея, «было изобретено много способов спуска на воду гигантского корабля, построенного сиракузским тираном Гиероном, но механик Архимед, используя простые механизмы, в одиночку сумел переместить корабль с помощью нескольких человек. Архимед изобрел блок и через спустил на воду огромный корабль «…

Блок не дает прироста в работе, подтверждая механику Золотого Правила. В этом легко убедиться, обратив внимание на расстояние, которое преодолевает рука и гиря.

Спортивные парусные суда, как и парусники прошлого, не обходятся без блоков при постановке и управлении парусами. Современные корабли нуждаются в блоках для подъема сигналов, лодок.

Эта комбинация подвижных и неподвижных узлов на электрифицированной железной дороге для регулировки натяжения проводов.

Такая система блоков может использоваться пилотами-планеристами для подъема своих машин в воздух.

Блок — это разновидность рычага, это колесо с канавкой (рис. 1), через канавку можно пропустить веревку, трос, трос или цепь.

Рис. 1. Блок общей формы

Блоки подразделяются на передвижные и неподвижные.

Ось закреплена на неподвижном блоке; при подъеме или опускании груза он не поднимается и не опускается. Вес груза, который мы поднимаем, обозначается P, приложенная сила обозначается F, а точка опоры — O (рис. 2).

Рис. 2. Фиксированный блок

Плечо силы P — это сегмент OA (плечо силы l 1 ), плечо силы F — сегмент OB (плечо силы l 2 ) (рис.3). Эти сегменты являются радиусами колеса, тогда заплечики равны радиусу. Если плечи равны, то вес груза и сила, которую мы прикладываем для подъема, численно равны.

Рис. 3. Фиксированный блок

Такой блок не дает прироста силы. Из этого можно сделать вывод, что для удобства подъема желательно использовать неподвижный блок, легче поднимать груз вверх, используя силу, которая направлена вниз.

Устройство, в котором ось может подниматься и опускаться с грузом.Действие аналогично действию рычага (рис. 4).

Рисунок: 4. Подвижный блок

Для работы этого блока один конец веревки закреплен, ко второму концу мы прикладываем силу F, чтобы поднять груз с весом P, груз прикреплен к точке A. Точка опоры во время вращения будет точкой O, потому что в каждый момент движения блок вращается и точка O служит точкой опоры (рис. 5).

Рисунок: 5. Подвижный блок

Силовой рычаг F имеет два радиуса.

Значение силового плеча P равно одному радиусу.

Плечи сил различаются вдвое, по правилу баланса рычага силы различаются вдвое. Сила, необходимая для подъема груза весом P, будет вдвое меньше веса груза. Подвижный блок дает двукратное преимущество в силе.

На практике комбинации блоков используются для изменения направления приложенной силы для подъема и уменьшения ее вдвое (рис. 6).

Рисунок: 6. Комбинация подвижных и неподвижных блоков

На уроке мы познакомились с устройством неподвижного и подвижного блока, в разобранном виде, что блоки являются типами рычагов. Для решения задач по этой теме необходимо помнить правило баланса рычагов: соотношение сил обратно пропорционально соотношению плеч этих сил.

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. — 17-е изд. — М.: Образование, 2004.
Перышкин А.В. Физика. 7 кл. — 14-е изд., Стереотип. — М .: Дрофа, 2010.
Перышкин А.В. Сборник задач по физике 7-9 классов: 5-е изд., Стереотип. — М .: Издательство «Экзамен», 2010.

Class-fizika.narod.ru ().
School.xvatit.com ().
Scienceland.info ().

Домашнее задание

Узнайте для себя, что такое цепная таль и какой прирост силы она дает.
Где в быту используются неподвижные и подвижные блоки?
Подниматься легче: по веревке или с неподвижным блоком?

Механическое преимущество Block & Tackle

Блокировочный роликовый блок — это машина, которая значительно снижает силу, необходимую для перемещения или подъема объекта, такого как тяжелый ящик. Стандартный шкив состоит из одного колеса на оси, через которую проходит трос. Сам по себе шкив может изменять только направление силы, приложенной к объекту.Система шкивов, работающих вместе, может образовывать блок и захват, что увеличивает усилие в дополнение к изменению направления силы, что означает, что для перемещения объекта требуется меньшее усилие. Степень увеличения силы блока и захвата является их механическим преимуществом.

Функция

Блоки и захваты часто используются в тех областях, где нет тяжелой техники и вместо них необходимо использовать человеческую силу. В древности блоки и снасти использовались в строительных проектах для перемещения тяжелых грузов.В современную эпоху они часто используются на лодках, где было бы непрактично иметь кран или другое тяжелое подъемное оборудование.

Подъем с помощью шкива

Если бы мы пытались поднять 200-фунтовый ящик с пола на стропила здания, мы могли бы сделать это с помощью простого шкива. Мы вставляли один шкив в стропила и пропускали через него веревку, прикрепляя один конец веревки к обрешетке. Потянув за другой конец веревки (тяговую часть), мы могли поднять обрешетку на стропила.В этой системе каждый раз мы тянем веревку на одну ногу с усилием 200 фунтов. силы, мы поднимаем ящик одной ногой. Поднятие с весом менее 200 фунтов. силы не сдвинет наш 200-фунтовый ящик.

Подъем с помощью блока и приспособления

Если вместо того, чтобы прикреплять веревку непосредственно к обрешетке, мы пропустим ее через новый шкив, прикрепленный к обрешетке, а затем прикрепим конец каната к стропилам, у нас будет блок и снасти. Теперь, каждый раз, когда мы натягиваем свободный конец веревки, веревка должна дважды проходить между стропилами и обрешеткой.Чтобы поднять ящик на одну ногу, нам пришлось бы тянуть две ноги за веревку. Однако нам нужно будет тянуть только 100 фунтов. силы.

Механическое преимущество

Это несоответствие между силой, необходимой для перемещения объекта, и весом объекта является механическим преимуществом блока и захвата. Это то же самое, что несоответствие между тем, сколько веревки мы тянем, и расстоянием, на которое перемещается объект. Чтобы рассчитать механическое преимущество, мы можем либо разделить вес поднимаемого объекта на силу, необходимую для его подъема, либо мы можем разделить количество веревки, которую нам нужно протянуть, на расстояние, на которое перемещается объект.Чтобы найти механическое преимущество нашей машины с помощью первого метода, мы разделим вес ящика, 200 фунтов, на величину силы, необходимой для его подъема, 100 фунтов, что даст нам механическое преимущество в два раза. Разделив, сколько веревки мы тащим за один раз (2 фута), на расстояние, на которое поднимается ящик (1 фут), мы получим тот же ответ. Как показывает практика, количество отрезков каната между двумя шкивами в блоке и захвате соответствует механическому преимуществу машины. В нашей машине канат проходит от верхнего шкива к нижнему шкиву и обратно до стропил: два отрезка каната дают нам механическое преимущество в два.

Сила и работа

Даже несмотря на то, что блок и захват уменьшают силу, необходимую для перемещения объекта, они не меняют объем работы. Например, блок и захват с механическим преимуществом, равным четырем, позволят вам поднять объект весом 4 фунта с силой всего 1 фунт. Однако вам также потребуется потянуть 4 фута веревки, чтобы поднять объект на одну ногу.

Трение

Когда какой-либо объект движется против другого объекта, часть энергии движущегося объекта теряется на трение.В блоке и захвате некоторое трение в шкивах снижает механическое преимущество машины. Чтобы включить трение в расчет механического преимущества блока и захвата, разделите вес поднимаемого объекта на вес, необходимый для его подъема.

Мощные шкивы — Урок — TeachEngineering

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 4 (3-5)

Требуемое время: 30 минут

Зависимость уроков: Нет

Тематические области: Геометрия, Физические науки, Решение проблем, Рассуждения и доказательства, Наука и технологии

Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Резюме

Учащиеся продолжают изучать историю строительства пирамиды, узнавая о простой машине, называемой шкивом.

Они узнают, как можно использовать шкив для изменения направления приложенных сил и перемещения / подъема чрезвычайно тяжелых предметов, а также узнают о мощных механических преимуществах использования системы с несколькими шкивами. Учащиеся проводят простую демонстрацию, чтобы увидеть механическое преимущество использования шкива, и они определяют современные инженерные применения шкивов. На практике они видят, как шкив может изменять направление силы, разницу между фиксированными и подвижными шкивами и механическое преимущество, полученное при использовании нескольких / комбинированных шкивов.Они также узнают, как инженеры используют шкивы в повседневных целях. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Инженеры

являются экспертами в использовании преимуществ простых машин во всех видах реальных приложений, приносящих пользу обществу. Они включают механическое преимущество шкивов в свою конструкцию многих современных конструкций, машин, продуктов и инструментов, таких как краны, лифты, флагштоки, тросы, моторы, велосипедные кольца / цепи, веревки для белья, ведра / веревки для колодцев, устройства для скалолазания, жалюзи и парусные / рыболовные лодки. Используя несколько шкивов в сочетании с двигателями и электроникой, инженеры создают сложные современные устройства, которые выполняют большую работу при очень небольшой мощности.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

Продемонстрируйте, как используются шкивы.
Объясните, как в древние времена инженеры могли использовать шкивы для работы.
Определите современные приложения, в которых инженеры используют шкивы.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты технологии, инженерии или математики (STEM).
Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www. achievementstandards.org).
В ASN стандарты имеют иерархическую структуру: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .
NGSS: научные стандарты нового поколения — наука
Ожидаемые характеристики NGSS
3-ПС2-1.Спланируйте и проведите расследование, чтобы получить доказательства влияния сбалансированных и несбалансированных сил на движение объекта. (3-й степени)
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Щелкните, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Пересекающиеся концепции
Совместно спланируйте и проведите расследование для получения данных, которые послужат основой для доказательств, используя объективные тесты, в которых контролируются переменные и количество рассмотренных испытаний.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
В научных исследованиях используются различные методы, инструменты и техники.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Каждая сила действует на один конкретный объект и имеет как силу, так и направление. На покоящийся объект обычно действует несколько сил, но они складываются, чтобы получить нулевую чистую силу на объект.Силы, которые не равны нулю, могут вызывать изменения скорости или направления движения объекта. (Граница: на этом уровне используется качественное и концептуальное, но не количественное сложение сил.)
Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!
Соприкасающиеся предметы оказывают друг на друга силу.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Причинно-следственные связи обычно выявляются.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Ожидаемые характеристики NGSS
3-ПС2-2. Сделайте наблюдения и / или измерения движения объекта, чтобы предоставить доказательства того, что шаблон может использоваться для прогнозирования будущего движения.(3-й степени)
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Щелкните, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Пересекающиеся концепции
Проводите наблюдения и / или измерения для получения данных, которые служат в качестве основы для доказательства объяснения явления или проверки проектного решения.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Выводы науки основаны на распознавании закономерностей.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Можно наблюдать и измерять закономерности движения объекта в различных ситуациях; когда это прошлое движение демонстрирует регулярный паттерн, по нему можно предсказать будущее движение. (Граница: технические термины, такие как величина, скорость, импульс и векторная величина, не вводятся на этом уровне, но разрабатывается концепция, согласно которой для описания некоторых величин требуется как размер, так и направление.)
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Шаблоны изменений можно использовать для прогнозирования.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Общие основные государственные стандарты — математика
Умножаем и делим в пределах 100. (Оценка 3) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Умножение или деление для решения задач со словами, включающих мультипликативное сравнение, например.g., используя рисунки и уравнения с символом для неизвестного числа, чтобы представить проблему, отличая мультипликативное сравнение от аддитивного сравнения. (Оценка 4) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология
ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше
Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?
Рабочие листы и приложения
Посетите [www. teachengineering.org/lessons/view/cub_simple_lesson05], чтобы распечатать или загрузить.
Больше подобной программы
Поднимите собственный вес
Используя обычные материалы (катушки, веревку, мыло), учащиеся узнают, как можно использовать шкив, чтобы легко изменить направление силы, облегчая перемещение больших объектов. Они видят разницу между фиксированными и подвижными шкивами и механическое преимущество, полученное при использовании нескольких / комбинированных шкивов….
Рычаги подъема
Студенты знакомятся с тремя из шести простых механизмов, используемых многими инженерами: рычагом, шкивом и колесно-осевым механизмом. Как правило, инженеры используют рычаг для увеличения силы, приложенной к объекту, шкив для подъема тяжелых грузов по вертикальному пути, а также колесо и ось для увеличения крутящего момента. ..
Инженерное дело: простые машины
Студенты знакомятся с шестью типами простых машин — клином, колесом и осью, рычагом, наклонной плоскостью, винтом и шкивом — в контексте построения пирамиды, получая общее представление об инструментах, которые использовались с тех пор. древние времена и до сих пор используются.
Let’s Move It!
Студенты изучают методы с использованием простых машин, которые, вероятно, использовались при строительстве древних пирамид, а также обычные современные перевозки материалов. Они узнают о колесе и оси как о средстве транспортировки материалов из карьера на строительную площадку.
Предварительные знания
Общие сведения о пирамидах. Знакомство с шестью простыми машинами, представленными в Уроке 1 этого раздела.
Введение / Мотивация
Мы активно изучаем простые машины и строим древние египетские пирамиды, которые были наняты инженерами для проектирования и строительства.Теперь мы собираемся углубиться в наше понимание шкивов, чтобы увидеть, можем ли мы использовать эти знания, чтобы упростить нашу работу с .
Никто не знает наверняка, были ли шкивы одной из простых машин , которые древние культуры использовали для строительства пирамид. Некоторые люди считают, что красивые и массивные пирамиды не могли быть построены с использованием чего-то столь же простого, как простые машины. У некоторых людей есть дикие теории о том, как возникли пирамиды — возможно, пришельцы с другой планеты пришли на Землю и построили их.Что ж, мы не знаем об этом, но мы знаем, что люди очень творческие и находчивые, когда они этого хотят. Пока мы ограничиваемся материалами и технологиями, которые были доступны древним египтянам, для нас приемлемо использовать наши знания для создания систем шкивов для построения нашей пирамиды.
Рис. 2. Шкив рыболовного судна. Авторское право
Copyright © 2004 Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Redmond, WA 98052-6399 USA. Все права защищены.
Шкив — это простая машина, состоящая из струны (или веревки), обернутой вокруг колеса (иногда с канавкой), с одним концом веревки, прикрепленным к объекту, а другим концом, прикрепленным к человеку или двигателю. Шкивы могут показаться простыми, но они могут обеспечить мощное механическое преимущество, позволяющее легко выполнять подъемные операции.
Шкивы используются в повседневной жизни по-разному. Какие шкивы вы можете придумать? Некоторыми распространенными примерами являются большие строительные краны, которые используют шкивы для подъема тяжелых предметов с помощью двигателя, который обычно является очень слабым (см. Рисунок 1), силовые тренажеры в тренажерном зале, некоторые лифты, флагштоки, оконные жалюзи, велосипедные кольца / цепи, бельевые веревки, ведро / веревка для водозабора, тросы, моторы, устройства для скалолазания, а также парусные и рыболовные лодки (см. Рисунок 2).
Лифт — это современное инженерное использование системы шкивов, которая работает так же, как подъем большого камня при строительстве пирамиды. Без использования шкивов лифту потребовался бы большой двигатель, чтобы тянуть кабель прямо вверх. Вместо использования большого двигателя в некоторых лифтах используется большой вес, который использует силу тяжести , чтобы помочь поднять кабину лифта (см. Рисунок 3). В этой ситуации приводной двигатель может быть намного меньше и использоваться только для определения направления, в котором должен двигаться лифт.
Рис. 3. Добавление противовеса и двух шкивов с двигателем посередине упрощает перемещение лифта. Авторское право
Авторские права © Джастин Фриттс, Программа ITL, Колледж инженерии, Университет Колорадо в Боулдере, 2005.
Но как колесо с веревкой над ним может помочь нам перемещать огромные камни, необходимые для постройки пирамиды? Что ж, шкивы помогают нам, изменяя направление силы , которую мы используем для подъема объекта. Вам легче подтянуться на веревке или потянуть вниз? Используя шкив, нам не нужно тянуть веревку, чтобы поднять прикрепленный к ней тяжелый предмет, но вместо этого мы можем потянуть за нее.В качестве примера возьмем флагшток. Когда вы тянете за веревку флагштока, флаг поднимается вверх по полюсу и развевается в воздухе. Это потому, что на флагштоке есть шкив. Используя шкивы для перенаправления силы , камень можно было поднять с земли, что позволило большему количеству людей ухватиться за веревку и увеличить вес, поэтому рабочим приходилось меньше тянуть. Чтобы еще больше упростить это усилие, рабочие, использующие шкив, могли перемещать большой камень по пандусу, натягивая веревку при спуске по пандусу, используя силу тяжести в своих интересах.
Настоящее механическое преимущество шкива заключается в использовании сразу нескольких шкивов. Использование нескольких шкивов уменьшает силу, необходимую для перемещения объекта, за счет увеличения длины веревки, используемой для подъема объекта. Механическое преимущество (MA) шкивной системы равно количеству тросов, поддерживающих подвижный груз. (Это означает, что не считайте веревки , только , используемые для перенаправления, см. Рисунки 6 и 7.) Из других уроков по простым машинам мы знаем, что для получения большего механического преимущества существует компромисс.Со шкивом компромисс — расстояние. Таким образом, если два шкива используются вместе, требуемое усилие уменьшается вдвое, но требуется вдвое больше веревки, чтобы поднять объект на ту же желаемую высоту. (Проиллюстрируйте эту концепцию студентам, проведя следующую демонстрацию в классе; см. Рисунок 4.)
Рис. 4. (слева) Используя один виток веревки, сложно стянуть метлы вместе. (справа) Использование нескольких оберток упрощает сборку веников.авторское право
Авторское право © Джастин Фриттс, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере, 2005.
Демонстрация классной метлы и веревки:
Для этой демонстрации требуются три ученика, две метлы и ~ 6 метров веревки. Привяжите веревку к одной из метел (метла 1) и оберните ее вокруг другой метлы (метла 2). Попросите двух учеников встать на расстоянии примерно метра друг от друга, каждый держит по одной метле, и постарайтесь держать метлы разделенными, пока третий ученик тянет за свободный конец веревки; Собрать палки веника должно быть непросто.Затем снова оберните веревку вокруг каждой метлы. Попробуйте снова собрать учеников / метлы вместе; чем чаще вы оборачиваете веревку вокруг метлы, тем легче третьему ученику стягивать остальных вместе! Это пример, демонстрирующий силу механического преимущества. Обратитесь к соответствующему упражнению «Тяги на свой вес», чтобы помочь учащимся лучше понять системы шкивов, проиллюстрировав, как шкив можно использовать для легкого изменения направления силы, облегчая перемещение больших объектов.
Шкивы могут быть намного сложнее. Инженеры объединяют множество шкивов в систему шкивов, которая значительно снижает усилие, необходимое для подъема объекта. Они часто используют системы шкивов для перемещения очень тяжелых предметов. Блок и снасть — это пример системы шкивов, которую можно прикрепить к чему угодно. Для этого может потребоваться много троса или веревки, но человек, использующий достаточное количество шкивов, может поднять несколько тонн. Инженеры используют блоки и подъемники вместе с двигателями и электроникой для создания современных устройств, которые работают с очень низким энергопотреблением, таких как краны и лифты.В Диснейленде инженеры даже используют систему шкивов, чтобы перемещать Тинкербелл по небу.
Мы не уверены, использовали ли египтяне шкивы, и еще не нашли никаких доказательств того, что они использовали, но мы знаем, что если бы они использовали их, жизнь была бы легче, чем если бы они этого не делали. Теперь, когда мы разбираемся в шкивах и располагаем современными материалами, мы можем строить пирамиды намного проще. Сегодня мы собираемся взглянуть на разработку системы шкивов и посмотреть, сможем ли мы разработать способ доставить наши самые тяжелые камни на вершину нашей пирамиды с помощью этой простой машины.
Предпосылки и концепции урока для учителей
Используйте презентацию PowerPoint «Шкивы и пирамиды» как полезный инструмент в классе. (Покажите презентацию PowerPoint или распечатайте слайды для использования с диапроектором. Презентация анимирована для продвижения стиля, основанного на запросах; каждый щелчок раскрывает новую точку зрения о каждой машине; попросите учащихся предложить характеристики и примеры, прежде чем вы их покажете .)
Шкив, простой механизм, помогает выполнять работу, изменяя направление сил и облегчая перемещение крупных объектов. Думая о шкивах, большинство людей думают о типе шкива, который позволяет человеку перенаправлять направление силы. При использовании этого типа шкива, называемого фиксированным шкивом , при опускании веревки объект поднимается от земли. Также существуют подвижные шкивы и системы шкивов . Тысячи лет назад первые инженеры использовали шкивы для облегчения строительства и выполнения многих полезных повседневных задач.Многие обелиски были возведены с помощью шкивов, а в колодцах есть шкивы для сбора воды.
Фиксированные шкивы
Рис. 5. Фиксированный шкив без механического преимущества. Авторское право
Copyright © Дениз В. Карлсон, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере, 2007.
Наиболее распространенная концепция шкива заключается в том, что это простой механизм, перенаправляющий силу. Это означает, что, обматывая веревку вокруг шкива и прикрепляя веревку к объекту, человек тянет веревку вниз, чтобы поднять объект, вместо того, чтобы поднимать объект (см. Рисунок 5; представьте, что поднимаете флаг).Хотя это полезное и удобное использование шкивов, оно имеет серьезное ограничение: сила, которую вы должны приложить, чтобы поднять объект, была такой же, как если бы вы просто поднимали объект без шкива (что приемлемо для поднятия флажка, но недостаточно полезно при попытке поднять камень пирамиды). Это означает, что фиксированный шкив не дает никаких механических преимуществ.
Фиксированная конфигурация шкива полезна для поднятия объекта на уровень над вашей головой. Использование этого типа шкива также позволяет использовать силу тяжести.И, прикрепив веса к концу веревки, которую вы тянете, вы можете уменьшить силу, которую вы должны приложить. Этот тип шкива также можно использовать для балансировки объекта, прикрепляя предметы равного веса к обеим сторонам веревки, при этом ни один объект не перемещается. Как только сила приложена к любой стороне, система продолжает движение в этом направлении. Такая система шкивов используется в некоторых лифтах. К лифту прикреплен трос, который поднимается вокруг шкива, затем опускается и прикрепляется к противовесу.Двигатель, который приводит в движение кабину лифта, потребляет гораздо меньше энергии, поскольку противовес удерживает лифт в равновесии.
Подвижные шкивы
Рис. 6. Подвижный шкив с механическим преимуществом двух. Авторское право
Авторские права © Дениз У. Карлсон, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере, 2007.
Другой тип шкива — подвижный шкив. В системе с подвижным шкивом канат прикреплен к фиксированной (неподвижной) точке, шкив прикреплен к объекту, который вы хотите переместить, а другой конец каната остается свободным (см. Рисунок 6).При натяжении веревки шкив перемещается, и объект поднимается. Этот тип системы хорош, если вы пытаетесь поднять объект, расположенный под вами, до вашего уровня. В другом варианте, если обе стороны подвижной системы шкивов зафиксированы, а веревка натянута между фиксированными точками, система становится похожей на колесо и ось, потому что объект может перемещаться по веревке, если к нему приложена сила (например, , почтовый индекс).
Шкивные системы
Рис. 7. Система шкивов с механическим преимуществом двух.авторское право
Copyright © Дениз Карлсон, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере, 2007.
Рис. 8. Система шкивов с механическим преимуществом, равным четырем, поскольку она имеет четыре несущих нагрузку сегмента веревки. Авторское право
Авторские права © Дениз У. Карлсон, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере, 2007.
Использование системы шкивов может быть намного более сложным и дает мощное механическое преимущество — значительно уменьшая силу, необходимую для перемещения объекта.Если используется один подвижный шкив (Рисунок 6), сила, необходимая для подъема объекта, прикрепленного к подвижному шкиву, уменьшается вдвое. Система шкивов, показанная на Рисунке 7, не меняет механического преимущества, показанного на Рисунке 6, однако она меняет направление необходимой силы. Компромисс заключается в том, что количество требуемой веревки увеличивается, а также увеличивается количество веревки, которую вы должны тянуть, чтобы поднять объект. Если к системе добавлены два фиксированных шкива и к объекту прикреплен второй подвижный шкив, сила, необходимая для подъема объекта, станет четвертью веса объекта, и потребуется в четыре раза больше веревки (см. Рисунок 8 презентация PowerPoint «Шкивы и пирамиды»).
Механическое преимущество
Сильное механическое преимущество шкива заключается в использовании нескольких шкивов одновременно. Комбинирование нескольких шкивов уменьшает количество силы, необходимой для перемещения объекта, за счет увеличения длины веревки, используемой для подъема объекта. Количество веревки можно найти по веревке = исходное количество веревки x количество шкивов. Механическое преимущество (MA) шкивной системы равно количеству тросов, поддерживающих подвижный груз. (Это означает, что не учитывайте веревки, которые используются только для перенаправления, см. Рисунки 6, 7 и 8.)
Сопутствующие мероприятия
Закрытие урока
Как шкивы могут облегчить нам жизнь? Шкивы — это мощные простые машины. Они могут изменить направление силы, что может значительно облегчить нам перемещение чего-либо. Если мы хотим поднять объект весом 10 килограммов на высоту одного метра, мы можем поднять его прямо вверх или использовать шкив, чтобы мы могли потянуть за один конец, чтобы поднять объект.Использовать шкив намного проще, потому что, пока мы весим более 10 килограммов, мы можем просто повиснуть за конец веревки и воспользоваться силой тяжести, так что наш вес обеспечивает всю необходимую силу для подъема объекта.
Шкивы
также могут дать нам механическое преимущество, когда мы используем несколько веревок вместе и больше. Этот процесс уменьшает силу, необходимую для подъема чего-либо.
Хотя мы не знаем, использовались ли шкивы древними строителями пирамид, мы знаем, что шкивы — идеальная простая машина для многих задач, необходимых для построения пирамиды.В сегодняшнем высокотехнологичном мире инженеры по-прежнему используют шкивы для облегчения сложных задач. Без них наша жизнь была бы намного труднее.
Проведите итоговую оценку, как описано в разделе «Оценка». В заключение закончите таблицу KWL и задайте задачи со словами, в которых ученики вычисляют механическое преимущество наклонной плоскости (см. Раздел «Оценка»).
На других уроках этого раздела студенты изучают каждую простую машину более подробно и видят, как каждую из них можно использовать в качестве инструмента для построения пирамиды или современного здания.
Словарь / Определения
фиксированный шкив: система шкивов, в которой шкив прикреплен к фиксированной точке, а веревка прикреплена к объекту.
сила: толкание или притяжение объекта; способность выполнять работу.
гравитация: естественная сила притяжения, оказываемая Землей на объекты на ее поверхности или вблизи нее, стремящаяся притягивать их к центру тела.
механическое преимущество: преимущество, полученное за счет использования простых машин, позволяющих выполнять работу с меньшими усилиями. Облегчение задачи (что означает меньшее усилие), но может потребовать больше времени или места для работы (большее расстояние, веревка и т. Д.). Например, приложение меньшей силы на большом расстоянии для достижения того же эффекта, что и приложение большой силы на небольшом расстоянии. Отношение выходной силы, прилагаемой к машине, к приложенной к ней входной силе.
подвижный шкив: система шкивов, в которой шкив прикреплен к объекту; один конец веревки прикреплен к фиксированной точке, а другой конец веревки свободен.
шкив: простой механизм, который изменяет направление силы, часто для подъема груза. Обычно состоит из рифленого колеса, в котором движется натянутый трос или цепь.
перенаправить силу: изменить направление вашего толчка или тяги, чтобы получить преимущество над задачей.
простая машина: машина с небольшим количеством движущихся частей или без них, которая используется для облегчения работы (дает механическое преимущество). Например, клин, колесо и ось, рычаг, наклонная плоскость, винт или шкив.
работа: сила, действующая на объект, умноженная на расстояние, на которое он перемещается. W = F x d (сила, умноженная на расстояние).
Оценка
Оценка перед уроком
Мозговой штурм: Предложите учащимся участвовать в открытом обсуждении в классе. Напомните студентам, что в ходе мозгового штурма ни одна идея или предложение не являются «глупыми». Все идеи следует с уважением выслушать. Занять некритическую позицию, поощрять дикие идеи и препятствовать критике идей.Попросите их поднять руки, чтобы ответить. Напишите их идеи на доске. Спросите у студентов:
Что такое простые машины? В чем преимущество простых машин? (Возможные ответы: машина с небольшим количеством движущихся частей или без них, которая используется для облегчения работы. Простые машины облегчают работу, создавая механическое преимущество, например, заменяя большее расстояние за меньшее усилие.)
Почему инженеры заботятся о простых машинах? (Ответ: Современное оборудование, конструкции и инструменты используют простые машинные принципы для выполнения простых и сложных задач.Хотя вы, возможно, никогда не увидите шкив в действии на стройплощадке, шкивы спрятаны внутри двигателей, внутри кранов и все время работают за кулисами.)
Таблица «Знай / Хочу знать / Учиться» (KWL): Создайте классную диаграмму KWL, чтобы помочь организовать изучение новой темы. На большом листе бумаги или классной доске нарисуйте таблицу с заголовком «Простые машины: шкивы». Нарисуйте три столбца с заголовками K, W и L, представляющие, что студенты знают о шкивах , что они хотят, чтобы знал о шкивах и что они узнали о шкивах и их механических преимуществах.Заполняйте разделы K и W во время введения к уроку по мере появления фактов и вопросов. Заполните L-часть в конце урока.
Оценка после введения
Вопросы для обсуждения: Запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы студентов.
Что мы наблюдали во время демонстрации метлы и веревки? Каков был эффект от добавления шкивов? (Возможные ответы: шкивы в действии, использование механических преимуществ для облегчения работы, добавление большего количества шкивов (обмоток веревки), которые упростили стягивание двух щеток вместе.)
Объясните, как найти механическое преимущество системы шкивов. (Ответ: механическое преимущество шкива в том, что система равна количеству веревок, поддерживающих подвижный шкив.)
В чем состоит компромисс механического преимущества в системе шкивов? (Ответ: расстояние или длина веревки.)
Какие примеры современных изделий разработали инженеры со шкивами? (Возможные ответы: краны, лифты, блоки и снасти на лодках, флагштоки, тросы, моторы, велосипедные кольца / цепи, устройства для скалолазания, оконные жалюзи и парусные лодки.)
Итоги урока Оценка
Таблица KWL (Заключение): Как класс, завершите столбец L таблицы KWL, как описано в разделе «Оценка перед уроком». Составьте список всего, что студенты узнали о шкивах и их механических преимуществах. Были ли даны ответы на все вопросы W? Что нового они узнали? На основе их наблюдений за движением объекта можно ли использовать шаблон для предсказания будущего движения?
Задачи со словами: Оцените понимание учащимися концепций урока, задав следующие задачи со словами.Напишите на доске: Механическое преимущество системы шкивов = количество отрезков каната, поддерживающих нагрузку.
Если бы мы использовали один фиксированный шкив и захотели поднять камень на 100 метров, сколько силы и веревки потребуется, чтобы поднять 500-килограммовый камень? (Ответ: Сила равна весу камня, поэтому 500 килограммов. Поскольку мы используем только один шкив, веревка должна быть не менее 100 метров [расстояние от шкива до камня], но больше вероятно, будет около 200 метров [одна длина до шкива от камня и одна длина от шкива до вас].)
Если бы мы использовали 10 шкивов в системе и хотели бы поднять камень на 100 метров, сколько силы и веревки нам понадобится, чтобы поднять тот же самый 500-килограммовый камень? (Ответ: Сила может быть уменьшена до 1/10 веса камня [50 килограммов], поскольку у нас будет 10 веревок со шкивами. Однако нам легко понадобится 1000 метров веревки [в 10 раз больше длины одной веревки] или 2000 метров, если бы мы были на одном уровне со скалой.)
Мероприятия по продлению урока
Попробуйте сделать человеческий шкив.Вам понадобится доска, прочная веревка и место с верхней опорой, например, футбольные ворота или игровая площадка. Оберните один конец веревки вокруг 2х4 (или чего-нибудь прочного, например, сиденья от качелей), а другой конец веревки оберните вокруг ворот, так чтобы задний конец висел на земле. Позвольте одному ребенку сесть на 2 x 4, пока двое других детей пытаются поднять их, потянув за свободный конец веревки. Оборачивайте веревку вокруг ворот или опоры, пока двое детей не смогут легко поднять и опустить сидящего ребенка.Может быть полезно начать сидящего ребенка из положения стоя (обе ноги на земле).
Если учащиеся не знакомы с зиплайном, предложите им поискать это в Интернете. Застежка-молния — забавный пример подвижного шкива.
Предложите более продвинутым ученикам вычислить механическое преимущество использования нескольких шкивов, требующих деления с остатками или дробями.
Рекомендации
Словарь.com. ООО «Лексико Паблишинг Групп». По состоянию на 25 января 2006 г. (Источник некоторых словарных определений с некоторой адаптацией) http://www.dictionary.com
Авторские права
© 2005 Регенты Университета Колорадо.
Авторы
Джастин Фриттс; Лоуренс Э. Карлсон; Жаклин Салливан; Малинда Шефер Зарске; Дениз Карлсон, при участии студентов, участвовавших в курсе подготовки инженерного корпуса К-12 весной 2005 года.
Программа поддержки
Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Благодарности
Содержание этих программ электронных библиотек было разработано в рамках Комплексной программы преподавания и обучения в рамках гранта GK-12 Национального научного фонда. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Национального научного фонда, и вы не должны предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.
Последнее изменение: 15 декабря 2020 г.
Как работают шкивы? — Объясните, что Stuff
Как работают шкивы? — Объясни это
Реклама
Криса Вудфорда. Последнее изменение: 14 сентября 2020 г.
Вы, наверное, видели этих потрясающих телезрителей, которые умеют тянуть машины. с волосами и зубами тащить поезда.Но знаете ли вы наука тоже может сделать тебя сильным? Если нужно поднимать большие веса, не напрягайте спину: используйте силу науки — и удивительный Устройство называется шкив . Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!
Фото: шкив, установленный на огромной подъемной раме, чтобы сделать ее более безопасной. Благодаря силе шкивов один человек может поднять гораздо больше, чем его собственный вес, не напрягая никаких мышц, потому что несколько веревок или цепей выдерживают дополнительный вес. Фото Р.Б. Хотард любезно предоставлен Корпусом морской пехоты США.
Что такое шкивы?
Шкив — это просто набор из одного или нескольких колес, на которые вы натягиваете веревку, чтобы упростить подъем предметов.
Шкивы — это примеры того, что ученые называют простыми механизмами. Это не значит, что они забиты двигателями и шестерни; это просто означает, что они помогают нам умножать силы. Если вы хотите поднять действительно тяжелый веса, ваши мышцы не могут дать столько силы, даже если ты самый сильный человек в мире.Но используйте простую машину, такую как шкив, и вы сможете эффективно увеличить силу, производимую вашим телом.
Давайте проясним массу и вес!
Прежде чем мы продолжим, давайте очень четко определим разницу между весом и массой. Это поможет в момент, когда мы говорим об использовании шкивов для подъема грузов (которые на самом деле масс ) с определенной величиной силы . В двух словах:
Масса — это количество материала, из которого что-то сделано или содержится, измеренное в килограммах (или фунтах).
Масса — это величина силы , с которой гравитация Земли воздействует на определенную массу: Чем массивнее что-то, тем больше гравитационная сила и тем больше, как мы говорим, оно весит.
Фото: Сколько силы в ньютоне? Этот апельсин имеет массу около 100 г (0,1 кг), поэтому мне нужно приложить 1 Н (один ньютон) силы, чтобы удерживать его в воздухе. Грубо говоря, апельсин «весит» 100 г; Собственно говоря, он весит 1Н.
Если вы человек с массой 80 кг, гравитация Земли тянет вас с силой 800 ньютонов. (на Земле ваш вес в ньютонах всегда примерно в 10 раз больше вашей массы в килограммах, потому что Земля притягивает каждый килограмм массы с силой 10 ньютонов).Строго говоря, мы должны взвешивать вещи в единицах силы (ньютонах), поэтому если ваша масса 80 кг, ваш вес действительно 800 ньютонов. Но в повседневной речи мы склонны путать массу и вес и вместо этого говорить о весе в килограммах (или фунтах). Точно так же, хотя килограмм — это единица массы, а не сила, можно говорить о силе, эквивалентной данной массе, потому что все массы обычно таким же образом преобразуются в силы. Подробнее об этом читайте в нашей статье о гири и весы.
Как работают шкивы
Чем больше у вас колес и чем чаще вы обматываете их веревкой, тем больше вы можете поднять.
Одно колесо
Если у вас одно колесо и веревка, шкив помогает изменить направление подъемной силы. Таким образом на картинке ниже вы тянете веревку вниз, чтобы поднять взвесить. Если вы хотите поднять что-то весом 100 кг, у вас есть тянуть вниз с силой, эквивалентной 100 кг, что составляет 1000 Н (ньютонов). Если вы хотите поднять груз на 1 м в воздух, вы должны потянуть свободный конец веревки расстояние 1 м на другом конце.

Рисунок: Как работают шкивы №1: С одним колесом шкив просто меняет направление силы, которую вы прикладываете. Никаким другим образом это не изменяет силу.
Два колеса
Теперь, если вы добавите еще колеса и обвяжите их веревкой, вы можете уменьшить усилия, необходимые для подъема веса. Предположим, у вас есть два колеса и веревка, обмотанная вокруг них, как показано на рисунке ниже. Масса 100 кг (вес 1000 ньютон) теперь эффективно поддерживается двумя секциями одной и той же веревки. (две нити слева) вместо одной (игнорируя свободный конец веревки, за которую вы тянете), а это значит, что вы можете поднять его, потянув с силой всего 500 ньютонов — вдвое меньше! Вот почему мы говорим шкив с двумя колесами и веревку, обернутую вокруг него таким образом дает механическое преимущество (ME) из двух.
Механическое преимущество — это мера того, насколько простой машина умножает силу. Чем больше механическое преимущество, тем меньше силы вам потребуется, но на большем расстоянии вы должны использовать эту силу. Вес поднимается на 1 м, но теперь мы необходимо потянуть свободный конец веревки вдвое дальше (2 м). Почему? Чтобы груз поднялся на 1 м, вам нужно сделать так, чтобы две части веревки, поддерживающие его, поднялись на 1 м каждая. Для этого нужно потянуть свободный конец веревки на 2 метра. Обратите внимание, что мы также можем выяснить механическое преимущество, разделив расстояние, на которое мы должны тянуть веревку, зависит от расстояния, на которое перемещается вес.

Иллюстрация: Как работают шкивы №2: С двумя колесами это как если бы груз висел на двух веревках (две нити одной веревки слева), а шкив вдвое уменьшает необходимую вам подъемную силу. Это все равно, что поднимать гирю на двух веревках вместо одной. Но теперь вам нужно потянуть конец веревки вдвое дальше, чтобы поднять вес на такое же расстояние.
Четыре колеса
Хорошо, а что, если вы используете четыре колеса, скрепленные длинной веревкой, которая петли над ними, как на картинке ниже? Вы можете видеть, что 100 кг масса (1000 ньютон) теперь висит на четырех секциях веревки (те, что слева, игнорируя свободный конец веревки, за которую вы тянете).Это означает каждая секция веревки выдерживает четверть общего веса в 1000 ньютонов, или 250 ньютонов, а чтобы поднять гирю в воздух, нужно тянуть только четверть силы — тоже 250 ньютонов. Чтобы вес увеличился на 1 м, нужно укоротить каждую сечение веревки на 1 м, поэтому свободный конец веревки нужно потянуть на 4 метра. Мы говорим, что шкив с четырьмя колесами и веревка, намотанная таким образом, дает механическое преимущество в четыре, что вдвое лучше, чем шкив с двумя веревками и колесами.

Рисунок: Как работают шкивы №3: С четырьмя колесами и канатом, работающим на четыре секции, шкив снижает необходимую вам подъемную силу на четверть. Но вы должны протянуть конец веревки в четыре раза дальше.
Шкив похож на рычаг
Вероятно, вы видите, что шкив увеличивает силу так же, как качели, которые являются своего рода рычагом. Если вы хотите поднять кого-то в четыре раза тяжелее, чем вы, на качелях, вам нужно сесть в четыре раза дальше от точки равновесия (точки опоры), чем они есть.Если вы опустите конец рычага на 4 см, их конец качелей поднимется только на 1 см. Когда они поднимаются, они получают определенное количество потенциальной энергии, равное их весу, умноженному на расстояние, на которое они перемещаются. Вы теряете точно такое же количество энергии — равное вашему весу (в четыре раза меньше), умноженному на расстояние, на которое вы перемещаетесь (в четыре раза больше). Вы можете перенести их гораздо больший вес, потому что вы перемещаете свой конец качелей на гораздо большее расстояние: рычаг качелей позволяет создавать больше силы, работая на большем расстоянии.
То же самое происходит и со шкивом, за исключением того, что вы тянете за веревку вместо того, чтобы двигать конец качели. Чтобы поднять что-то в четыре раза тяжелее, вы можете использовать ту же силу, но только если вы потянете веревку в четыре раза дальше. Если вы посмотрите на то, что происходит с обеих сторон шкива, и умножите силу на пройденное расстояние, вы обнаружите, что это то же самое. На вашей стороне вы используете небольшую силу на большом расстоянии. С другой стороны, вес намного больше, но он перемещается на меньшее расстояние.

Иллюстрация: Как шкив работает как рычаг: Как и в случае с рычагом, шкив может «волшебным образом» создать больше силы — но только если вы примените эту силу на большем расстоянии. Это почему? Читайте ниже!
В чем прикол?
Шкивы звучат великолепно — и они есть. Но наверняка должен быть ловить? Если вы можете поднять 100 кг (1000 ньютонов), потянув с силой, эквивалентной всего 25 кг (250 ньютонов), вы наверняка делаете четверть меньше работы и используете только четверть энергии? И если это правда, вы можете построить какой-то шкив, который действительно будет вырабатывать для вас энергию: положите всего в одной единице энергии и получите четыре единицы! Звучит великолепно!
Фото: есть ли скрытая защелка при использовании шкива? Почему бы не сделать свой собственный простой шкив из конструктора (или просто самодельных материалов, таких как катушки из хлопка и веревки) и проверить его на себе.Нет лучше способ понять, как работают шкивы. С таким простым шкивом для двух колес легко понять, что вам нужно потяните тетиву дважды, пока вес поднимается вверх.
К сожалению, такие удивительные вещи строго запрещены. по закону физики, называемому сохранением энергии, который говорит, что вы всегда должны вкладывать столько энергии, сколько выходите. Итак, начнем подумайте о шкивах с точки зрения энергии. Если вы поднимете вес 100 кг (1000 ньютонов) на расстоянии 1 метра от земли, вы должны сделать то же самое объем работы независимо от того, используете ли вы шкив или нет: вы должны переместить та же сила на том же расстоянии.Если вы используете шкив и уменьшаете силу вы используете на четверть, вам все равно нужно сделать то же количество работы. Просто нужно дергать за конец веревки четыре еще раз, чтобы каждая из четырех опорных секций каната поднялась на То же количество. Это загвоздка со шкивом. Вы тянете с меньшим силы, но нужно тянуть дальше (и, вообще говоря, использовать сила дольше). Не тратя меньше энергии на шкив, вы на самом деле приходится использовать немного больше из-за трения, где трос трется о колеса шкива.Но кажется и чувствует шкив проще использовать, а это главное!

Фото: Шкив оборудования. 1) На этих маленьких роликах есть крючки, поэтому их легко подвесить к потолку. Обратите внимание на то, что на колесах есть канавки, чтобы веревка не соскальзывала с них. Фото Паулы Арагон. 2) Гигантские шкивы на рычаге большого железнодорожного крана. Здесь используется огромный прочный трос.
Что такое блок и подкат?
В технике шкив, который я здесь описывал, иногда называют блоком и захватом : колеса и их крепления — это блоки, а веревки, которые обвивают их, — это снасти.В моих примерах один блок закреплен вверху, а другой блок перемещается вверх вместе с грузом. В более общем плане для инженеров шкив — это колесо, на которое вы натягиваете веревку или ремень для соединения одной части машины с другой, будь то подъем предметов, передача энергии или выполнение чего-либо еще. В простой науке, однако, мы склонны использовать «шкив» только для обозначения связки колес и канатов для подъема.

Фото: два типа шкивов. Слева: блок и захват — это система на основе шкивов для подъема вещей, сделанная из блоков (секций колеса) и соединяющих их между собой.Он использовался для подъема ракетного оборудования в Центре космических полетов им. Маршалла НАСА. Фото Джеймса У. Розенталя, «Исторический журнал американских инженеров», любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США. Справа: колеса шкива также можно использовать для соединения различных частей машины. Здесь колесо шкива на большом двигателе приводит в движение другое колесо шкива на машине, находящейся на некотором расстоянии. В этом случае шкивы просто передают мощность. Фото: Исторический американский технический отчет, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.
Узнать больше
На этом сайте
На других сайтах
Шкивы, блоки и другие снасти: отличная коллекция фотографий шкивов, составленная пользователем Flickr «Элси» (Лес Чатфилд), у которого отличный глаз для детализации и раскрытия скрытой красоты механического мира.
Книги
Для младших читателей
Почему-то существует множество книг о шкивах для юных читателей (возрастная группа 6–10 лет).Вот лишь несколько примеров, с которых можно начать:
Рычаги и шкивы. Автор Alex Brinded, Kidhaven / Greenwood, 2019. Простое введение для очень маленьких читателей, которое является частью базовой серии технических разработок под названием «Как заставить все работать». Текст написан четко, хотя фотографии и дизайн немного устарели. Возраст 6–9.
Exploring Science: Machines: Chris Oxlade, Anness, 2016. Практическое введение в шестерни, рычаги, шкивы и двигатели с помощью 20 простых экспериментов. Эта книга помогает представить шкивы в более широком контексте простых машин.Возраст 8–10.
Изготовление машин со шкивами: Крис Окслейд, Рейнтри / Кэпстон, 2015. Еще одно очень практичное 32-страничное введение, которое логически ведет нас через простые шкивы, составные шкивы, исторические машины, ремни и многое другое. Есть полезные дополнения к школьной библиотеке, в том числе интересные факты и глоссарий. Возраст 7–9.
Как работают шкивы: Джим Меццанотт. Гарет Стивенс, 2007 г. 24-страничное руководство, в котором представлены шкивы и показано, как мы используем их в повседневной жизни.Акцент здесь делается на шкивах как на средстве использования силы в наших интересах.
Что такое шкивы ?: Хелен Фрост, Capstone Press, 2001. Очень простое иллюстрированное введение для младших читателей (в возрасте 7–10 лет, я полагаю).
Эти две книги более общего характера, которые рассматривают науку о силе в более широком контексте:
«Можете ли вы почувствовать силу» Ричарда Хаммонда. Дорлинг Киндерсли, 2006/2015. Свежая книга о силах и физике для младших читателей. (Я был одним из консультантов и авторов этой книги.)
Сила и движение Питера Лафферти. Дорлинг Киндерсли, 2000. Классическая книга очевидцев DK, охватывающая историю науки, а также современные технологии. Устаревший, но все же полезный.
Для читателей постарше
Принципы машиностроения, Джон Берд и Карл Росс, 2017. Подробное (288 страниц) введение в общую науку и принципы машиностроения.
Трактат о ремнях и шкивах Джона Ховарда Кромвеля, 1903 г.Классическая книга из более раннего возраста! Объясняет теорию шкивов (с математикой) и много иллюстраций. Доступен в различных форматах электронных книг.
Видео
Как работают шкивы: простое введение Чарли Марца. К сожалению, он использует имперские (американские) единицы футов и фунтов, но идею вы поняли. Если вы европеец, вы можете мысленно подставить метры и килограммы.
Как работают шкивы: более длинное и сложное введение из Академии Хана.Это объяснено ясно и очень хорошо, но страдает от рисования каракулей мышью и смешивания единиц измерения (ньютонов, футов, метров).
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты
статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.
Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.
Подписывайтесь на нас
Поделиться страницей
Сохраните эту страницу на будущее или поделитесь ею, добавив в закладки:
Цитируйте эту страницу
Вудфорд, Крис. (2009/2020) Шкивы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/pulleys.html. [Доступ (укажите дату здесь)]
Подробнее на нашем сайте…
Шкив — Энциклопедия Нового Света
Шкив на корабле. В этом контексте шкивы обычно называют блоками.
Шкив — колесо с канавкой по краю для удержания троса или кабеля. Это простая машина, которая помогает изменять направление и точку приложения тягового усилия. Шкивы обычно используются в наборах, предназначенных для уменьшения силы, необходимой для подъема груза. Величина силы уменьшается, но она должна действовать на большем расстоянии.Следовательно, объем работы, необходимый для достижения грузом определенной высоты, такой же, как и объем работы, необходимой без шкивов.
Шкивы
можно найти в самых разных сферах применения. Они не только используются для очевидного подъема объектов, например, с помощью кранов, но они также используются в современных автомобилях и самолетах. Шкивы также необходимы для большинства машин в той или иной форме.
История
Как и все простые машины, происхождение шкива неизвестно.Когда древние люди поднимали тяжелые предметы, перебрасывая лозы или другие грубые веревки через ветки деревьев, они использовали идею единственного фиксированного шкива, чтобы изменить направление силы. Но поскольку колеса вращаться не было, такое использование приводило к значительному трению.
Самые ранние свидетельства наличия шкивов относятся к Древнему Египту во времена Двенадцатой династии (1991–1802 гг., г. до н.э., г. до н.э.), хотя они, вероятно, использовались не для получения механического преимущества, а для изменения направления тяги.^[1] Есть также свидетельства их использования в Месопотамии в начале второго тысячелетия г. до н. Э. ^[2]
Не указано, когда и кем был впервые разработан шкив. Однако считается, что Архимед разработал первую задокументированную систему шкивов с блокировкой и захватом, как это было зарегистрировано Плутархом. Плутарх сообщил, что Архимед передвинул целый военный корабль с людьми, используя составные шкивы и свою собственную силу.
Типы шкивов
Фиксированный Фиксированный шкив или класса 1 имеет фиксированную ось.То есть ось «зафиксирована» или закреплена на месте. Фиксированный шкив используется для перенаправления силы в веревке (называемой ремнем, когда он проходит полный круг. Фиксированный шкив имеет механическое преимущество, равное единице.
Подвижный Подвижный Шкив или класса 2 имеет свободную ось. То есть ось «свободна» перемещаться в пространстве. Подвижный шкив используется для преобразования сил. Подвижный шкив имеет два механических преимущества. То есть, если один конец веревки закреплен, потянув за другой конец веревки, к объекту, прикрепленному к шкиву, приложится удвоенная сила.
Составной шкив Составной шкив представляет собой комбинированную систему фиксированных и подвижных шкивов.
Блок и захват — Блок Блок и захват представляет собой составной шкив, в котором на каждой оси установлено несколько шкивов, что дополнительно увеличивает механическое преимущество.
Шкивы могут изменять направление силы.
Теория работы
Диаграмма 1 — Основное уравнение для шкива: В состоянии равновесия сила F на оси шкива равна и противоположна сумме натяжений в каждой линии, выходящей из шкива, и эти натяжения равны.
Диаграмма 2 — Простая система шкивов — один подвижный шкив, поднимающий единицу веса. Натяжение в каждой линии составляет половину веса единицы, что дает преимущество 2.
Схема 2а — Еще одна простая система шкивов, аналогичная схеме 2, но в которой подъемная сила направлена вниз.
Практичный составной шкив, соответствующий диаграмме 2а.
Простейшая теория работы системы шкивов предполагает, что шкивы и стропы невесомы и что нет потерь энергии из-за трения.Также предполагается, что линии не растягиваются. Из этого предположения следует, что в состоянии равновесия общая сила на шкив должна быть равна нулю. Это означает, что сила на оси шкива равномерно распределяется между двумя линиями, проходящими через шкив. Ситуация схематично проиллюстрирована на диаграмме 1. В случае, когда линии не параллельны, напряжения в каждой линии по-прежнему равны, но теперь векторная сумма всех сил равна нулю.
Второе основное уравнение для шкива следует из сохранения энергии: произведение поднимаемого веса на расстояние, на которое он перемещается, равно произведению подъемной силы (натяжения в подъемной линии) на расстояние подъема. линия перемещена.Поднимаемый вес, разделенный на подъемную силу, определяется как преимущество шкивной системы.
Важно отметить, что объем работы, выполняемой на идеальном шкиве, всегда одинаков. Работа выражается умножением усилия на пройденное расстояние. Шкив просто позволяет менять усилие на расстояние.
На схеме 2 один подвижный шкив позволяет поднимать единицу веса только с половиной силы, необходимой для подъема груза без посторонней помощи. Общая необходимая сила делится между подъемной силой (красная стрелка) и «потолком», который представляет собой некоторый неподвижный объект (например, землю).В этой простой системе подъемная сила направлена в том же направлении, что и движение веса. Достоинства этой системы два. Хотя сила, необходимая для подъема единицы веса, составляет только половину веса единицы, нам нужно будет протянуть веревку длиной в два раза превышающей расстояние, на которое поднимается груз, чтобы общий объем выполненной работы (сила x расстояние) остается такой же.
Может быть добавлен второй шкив, как показано на схеме 2а, который просто служит для перенаправления подъемной силы вниз, это не меняет преимущества системы.
Диаграмма 3 — Простая составная система шкивов — подвижный шкив и фиксированный шкив, поднимающий единицу веса. Натяжение в каждой линии составляет одну треть веса единицы, что дает преимущество в три.
Схема 3a — Простая составная система шкивов — подвижный шкив и фиксированный шкив, поднимающие единицу веса, с дополнительным шкивом, перенаправляющим подъемную силу вниз. Натяжение в каждой линии составляет одну треть веса единицы, что дает преимущество в три.
Схема 4а — Более сложная составная система шкивов. Натяжение каждой линии составляет одну четверть веса единицы, что дает преимущество в четыре. Добавлен дополнительный шкив, перенаправляющий подъемную силу.
Рисунок 4b — Практичная система блока и подъемного шкива, соответствующая диаграмме 4a. Обратите внимание, что оси неподвижного и подвижного шкивов совмещены.
Добавление фиксированного шкива к системе с одним шкивом может увеличить преимущество.На схеме 3 добавление фиксированного шкива дает преимущество подъема в три раза. Натяжение в каждой линии составляет одну треть веса единицы, а сила, действующая на оси каждого шкива, составляет две трети веса единицы. Как и в случае со схемой 2а, можно добавить еще один шкив, чтобы изменить направление подъемной силы, но без увеличения преимущества. Эта ситуация показана на Диаграмме 3а.
Этот процесс можно продолжать бесконечно для идеальных шкивов, при этом каждый дополнительный шкив дает единичное преимущество.Однако для настоящих шкивов трение между канатом и шкивами будет увеличиваться по мере добавления шкивов до такой степени, что никакого преимущества невозможно. Это ограничивает количество шкивов, которые мы можем использовать на практике. Вышеупомянутые системы шкивов вместе известны как системы шкивов блока и захвата. На диаграмме 4а показана система блок-захвата с преимуществом четыре. Практическая реализация, в которой соединение с потолком объединено, а неподвижные и подвижные шкивы заключены в отдельные корпуса, показано на рисунке 4b.
Возможны и другие системы шкивов, и некоторые из них могут обеспечить большее преимущество при меньшем количестве шкивов, чем система блокировки и захвата. Преимущество системы блокировки и захвата состоит в том, что на каждый шкив и стропу действуют равные напряжения и силы. Эффективная конструкция требует, чтобы каждая стропа и шкив выдерживали нагрузку, и не более того. Для других конструкций шкивов потребуются стропы и шкивы различной прочности в зависимости от их положения в системе. Тем не менее, система блокировки и захвата может использовать повсюду один и тот же размер лески и может устанавливать фиксированные и подвижные шкивы на общей оси.
Использование шкивов
Шкивы использовались для подъема на протяжении тысяч лет. Самый распространенный и самый старый пример — их использование на кораблях и лодках. Блок и снасти были ключевым инструментом для подъема парусов и груза. Еще одно важное применение шкивов — подъемные краны.
Шкивы продолжают использоваться в наше время с различными машинами и системами. Даже в космическую эру шкивы играют важную роль в строительстве и эксплуатации космических аппаратов и самолетов.Это система шкивов, которая управляет рулями направления для самолета. Фактически, шкивы обычно используются в повседневной жизни, от транспортных средств до движущегося оборудования.
Банкноты
↑ Дитер Арнольд, Building in Egypt: Pharaonic Stone Masonry (Oxford University Press, 1991, ISBN 978-0195063509).
↑ P.R.S. Moorey, Древние материалы и промышленность Месопотамии (Eisenbrauns, 1999, ISBN 978-1575060422).
Список литературы
Арнольд, Дитер. Здание в Египте: каменная кладка фараонов . Oxford University Press, 1991. ISBN 978-0195063509
Delta Education. Рычаги и шкивы. Nashua, NH: Delta Education, 2000. ISBN 0875048110
Хеллман, Гарольд, Хэл Хеллман и Линн Свит. Рычаг и шкив. Нью-Йорк, Нью-Йорк: М. Эванс и компания, Inc., 1971. ISBN 0871310724
Мури, P.R.S. Древние материалы и промышленность Месопотамии . Eisenbrauns, 1999. ISBN 978-1575060422
Продавец, Мик. Колеса, шкивы и рычаги. Нью-Йорк: Gloucester Press, 1993. ISBN 0531174204
Внешние ссылки
Все ссылки получены 13 января 2021 г.
Кредиты
Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства.Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:
История этой статьи с момента ее импортирования в New World Encyclopedia :
Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.
Объяснение механических преимуществ
| Образованный Climber.com
Кран у Пражского Града, фото любезно предоставлено handshouse.org
«Любая достаточно продвинутая технология неотличима от магии».
— Артур Кларк
«Механическое преимущество — это мера увеличения силы, достигаемая при использовании инструмента, механического устройства или системы станка. В идеале устройство сохраняет входную мощность и просто противопоставляет силы движению, чтобы получить желаемое усиление выходной силы.Модель для этого — закон рычага ». — Из Википедии
Одна из наиболее распространенных ситуаций, возникающих при работе с деревьями, — это потребность в тяговом усилии. Мы используем веревки, чтобы тянуть верхушки, колышки и целые деревья, а также поднимать и натягивать секции ветвей и бревен. Мне нравится канатная работа. Веревка — древний инструмент, который использовался веками, но его использование — это умирающее искусство: обычный человек на улице с трудом может завязать шнурки. Наша профессия — одна из немногих групп людей, которые все еще используют веревку для выполнения работы.Сегодня мы собираемся изучить механическое преимущество и то, как мы можем использовать простую физику для усиления сил в сценарии оснастки.
Я читал, что человек может тянуть примерно 60% своего веса горизонтально по земле в хороших условиях. Итак, если нам нужно тянуть 500 фунтов, чтобы что-то сделать, и у нас есть один землерой, который весит 200 фунтов и, следовательно, может создавать тягу около 120 фунтов, как мы можем выполнить эту тягу в 500 фунтов? Простой ответ: землянин может найти 4 или 5 хороших друзей, которые готовы все бросить, прийти и помочь ему натянуть веревку.

Источник: Википедия
Это будет пример усердной работы. Но работать усерднее — не всегда выход. Во-первых, у нас обычно нет людей, чтобы просто тянуть за веревку, а во-вторых, это, ну, тяжелая работа. Так что, если бы мы хотели работать умнее, чтобы добиться того же? Как мог этот единственный землянин выполнить работу в одиночку? Ответ: механическое преимущество.
Есть много форм механического преимущества, но, как правило, когда мы используем этот термин, мы говорим об использовании канатов и шкивов (блока и снасти) как средства усиления сил в системе, что позволяет нам тянуть гораздо большие нагрузки. чем мы могли бы в противном случае.
Все системы механического преимущества, использующие блокировку и захват, основаны на простом наблюдении:
Для того, чтобы крупье удерживало вес в воздухе, он должен тянуть вниз с силой 100 фунтов. Таким образом, если вес тянет вниз с силой 100 фунтов, а человек с рукоятью также тянет вниз с силой 100 фунтов, тогда , общая сила, прилагаемая к шкиву, должна составлять 200 фунтов . Концепция, которую мы пытаемся понять и использовать: , где у вас есть груз и якорь, соединенные тросами и шкивами, силы на шкивах могут быть увеличены.И если на шкивах можно умножить силы, почему бы нам не прикрепить шкив к нашему грузу? Используя это простое наблюдение, мы можем разработать несколько удивительных систем транспортировки.
(Примечание: вышеприведенное наблюдение играет огромную роль в проектировании систем подвесного такелажа с использованием блоков или шкивов, где на точки такелажа действуют силы, намного превышающие вес опускаемых частей, даже без учета ударной нагрузки. Мы в следующих статьях мы рассмотрим проектирование системы такелажа.)
Самое простое использование механического преимущества включает точку анкера, входное усилие и шкив на нагрузке:
Вот мы тащим груз в гору. Мы привязали веревку к точке крепления, в данном случае к дереву, а затем пропустили ее через шкив, прикрепленный к грузу. Итак, в этом примере вы можете видеть, что какая бы сила ни тянула на одной стороне веревки, от себя к шкиву, та же сила действует и на другой стороне веревки, от шкива к якорю .Таким образом, для того, чтобы крупье удерживало груз устойчиво, не соскальзывая вниз, он должен тянуть только половину веса груза, то есть 50 фунтов, даже если груз весит 100 фунтов. Это называется механическим преимуществом 2: 1, или 2: 1 MA. Мы можем рассчитать это, просто посчитав, сколько частей или ветвей веревки воздействует на шкив: в данном случае их 2, поэтому мы рассчитываем преимущество 2: 1. Это очень простая концепция, но последствия потрясающие.
А теперь представим, что крупье нужно тащить груз прямо в гору.Вы можете видеть, что его тяговая сила увеличилась вдвое, но вы, возможно, не осознавали, что компромисс для его вновь обретенной силы состоит в том, что он должен тянуть вдвое больше веревки, чтобы переместить груз. Другими словами, если бы веревка была привязана непосредственно к грузу , вам нужно было бы тянуть весь вес самостоятельно, но на каждый фут веревки, который вы натягиваете, груз будет продвигаться на фут. При такой установке МА 2: 1 вам нужно тянуть только половину веса, но чтобы переместить груз на 1 фут вверх по склону, вы должны потянуть 2 фута веревки. Механическое преимущество всегда связано с компромиссом: расстояние тяги для тягового усилия . Как сказал Роберт Хайнлайн, TANSTAAFL — , «бесплатного обеда не бывает».
источник: letoolman.com
По сообщениям, система блокировки и захвата была изобретена самим Архимедом и веками использовалась для подъема и подъема всех видов работ. Система блокирования и захвата основывается на общих концепциях, о которых мы говорили, но делает еще один шаг вперед.Блок и захват используют два шкива для увеличения силы в системе. Один шкив прикреплен к грузу и называется подвижным шкивом. Другой прикреплен к точке привязки.
Самая простая форма системы блокировки и захвата — это механическое преимущество 2: 1, называемое Gun Tackle:
В этой установке канат «начинается» или прикрепляется к якорю, затем проходит через подвижный шкив, затем проходит через якорный шкив. Как и раньше, представим, что мы вешаем на это основание гирю весом 100 фунтов, вращаем шкив, а затем хотим удерживать гирю в воздухе.Нижний шкив работает точно так же, как и в предыдущем примере, увеличивая вдвое усилие нагрузки. Верхний, или якорный шкив, служит в качестве перенаправителя, позволяя нам стоять на земле и тянуть веревку вниз. Без перенаправления вверх нам пришлось бы стоять на потолке и тянуть вверх, чтобы получить преимущество 2 к 1, точно так же, как мы это делали в нашем предыдущем примере, где крупье был на вершине холма и тянул вверх. Итак, чтобы удерживать вес, подвешенный в воздухе, мы тянем вниз 50 фунтов, которые перенаправляются анкерным шкивом вверх, а затем удваиваются подвижным шкивом, прикрепленным к грузу, что позволяет удерживать 100-фунтовый вес. с входной силой всего 50 фунтов.
В следующем примере все становится действительно интересным. Что, если бы мы использовали несколько шкивов? Вот простой пример, а затем я покажу эквивалентную схему с блоком и подкладкой:
В этом примере вы можете видеть, что входная сила всего в 50 фунтов может выдержать нагрузку в 150 фунтов, поскольку каждая ветвь каната, действующая на движущийся шкив, подвергается натяжению в 50 фунтов, и действуют 3 ветви веревки. на этом шкиве 50 x 3 = 150. Довольно удивительно, правда? Имейте в виду, что крупье, чтобы поднять груз вверх, ему пришлось бы тянуть веревку длиной 3 фута, чтобы груз переместился на 1 фут.Помните, что каждая система механического преимущества предполагает компромисс между расстоянием тяги и мощностью тяги.
В приведенном выше примере можно использовать блок и захват, но вместо того, чтобы требовать двух отдельных шкивов на анкере, эти шкивы объединены в двойной шкив. Этот пример технически называется Luff или Watch Tackle:
Надеюсь, к этому моменту вы поняли концепцию. Мы используем шкивы и двойные шкивы для усиления сил. Нам нужна анкерная точка и подвижный шкив, прикрепленный к грузу, и нам нужна входная сила. Мы можем вычислить механическое преимущество, посчитав количество ветвей каната, которые воздействуют на движущийся шкив, что аналогично вычислению компромисса между расстоянием вытягивания и силой тяги. Я не хочу вдаваться в исчерпывающий трактат о различных схемах блокировки и захвата. Есть много исчерпывающих источников, которые позволят копнуть глубже. Вместо этого я хочу сосредоточить наше внимание на наиболее распространенных приложениях механического преимущества, используемых при работе с деревьями.
Вы знаете, что они говорят, никогда не предполагайте, потому что, когда вы предполагаете, вы делаете «задницу» из «u» и «меня». Однако для наших целей здесь нам нужно будет согласовать некоторые предположения, чтобы мы могли провести базовую математику.
Предположения:
все шкивы имеют 100% эффективность, то есть трение отсутствует.
: все углы вытягивания составляют 180 градусов.
: все шкивы и тросы невесомые, тросы не растягиваются.
Эти предположения позволяют нам использовать красивые простые числа.В действительности, конечно, ни один шкив не имеет абсолютно нулевого трения, а углы натяжения не всегда составляют 180 градусов. Итак, если говорить реалистично, когда мы говорим, что система имеет соотношение 3: 1 или 5: 1, на самом деле это не так. Это может быть больше похоже на 2,89: 1 или 4,73: 1. Но кто хочет сказать новичку: «Эй, давай, хватай из грузовика 4,73: 1!» В любом случае, вы понимаете мою точку зрения. Давайте на этот раз согласимся сделать несколько предположений.
Использование шкивов настолько простое, элегантное и в то же время невероятно мощное. Есть много-много способов использовать механическое преимущество с использованием канатов и шкивов при работе с деревьями, но я не собираюсь подробно останавливаться на них.Вместо этого я хочу сосредоточиться на 4 применениях МА, которые могут оказаться очень полезными. Как только вы поймете используемые концепции и ознакомитесь с некоторыми примерами, вы сможете разработать свои собственные системы транспортировки, адаптированные к конкретной ситуации. Конкретно хочу посмотреть:
MA 2: 1 для тяги
Установка Z-Rig 3: 1
5: 1 Fiddle Block / Block and Tackle setup
Контейнерные / комбинированные системы МА
Имейте в виду, что для установки любой системы скользящих средних в полевых условиях вам потребуется точка привязки. В жилых помещениях точка крепления часто является ограничивающим фактором для использования механического преимущества, мы не можем использовать МА без этого . Джерри Беранек очень хорошо описывает точки привязки в своей работе «Рабочий альпинист, серия 2, диск 3». По сути, я определяю точку привязки как любой неподвижный объект, который, как я могу безоговорочно сказать, способен выдерживать тянущие силы, которым он будет подвергаться. В случае установки шкива на анкерную точку этот анкер должен во много раз выдерживать силу тяги, поскольку использование шкивов увеличивает силы.Итак, чтобы установить системы ПВО в полевых условиях, вы должны иметь доступ к точке привязки бомбардировщика. Не думайте, что точка привязки достаточно прочна — если вы сомневаетесь в ней, не используйте ее!
Прежде всего, я определяю колышек как бревно или часть бревна, оставшуюся после удаления кроны дерева. Один действительно распространенный сценарий в нашей профессии — удаление дерева на заднем дворе, где недостаточно места, чтобы просто перевернуть дерево, но с одной стороны от него может быть 25 футов лужайки.Итак, мы взбираемся по нему, ригаем или спускаемся вниз, а затем оставляем колышек высотой 20 футов, который нужно сбросить с земли. В большинстве случаев мы можем просто привязать веревку к вершине колышка и натянуть ее. Но иногда колышек бывает очень большим и тяжелым или имеет задний ход, и мы не уверены, что сможем легко его вытащить. В этом сценарии есть много вариантов использования механического преимущества, и один из них — прикрепить блок к колышку, а не просто привязать веревку непосредственно к нему.Веревка «начнется» с якоря, пройдет через блок на штифте, а затем вернется к входной силе. Таким образом, все, что мы тянем, удваивается на колышке. (Обратите внимание, что это также можно использовать для целых деревьев.) Вот как это может выглядеть:
Итак, очевидно, что если нам действительно нужно было решить проблему установки блока наверху, чтобы удвоить нашу тягу, то мы, скорее всего, не собираемся использовать простую рабочую силу, чтобы справиться с этим. Итак, хотя я показал это здесь, когда тяга идет напрямую от крупье, вы обычно используете либо дополнительную механическую систему преимущества для тяги, такую как блок и снасть или подгонка, либо вы можете тянуть с помощью транспортного средства или лебедки.
Z-rig — это удобная тяговая система, которую можно быстро и легко настроить и которая может значительно повысить тяговую силу наземных рабочих. В самой базовой форме Z-Rig используется только одна веревка, привязанная к грузу, точка крепления, 2 одинарных шкива и один или два прусика. Выглядит это примерно так:
Теперь вы можете понять, почему это называется Z-rig. Вы можете убедиться, что это 3: 1, посчитав количество отрезков каната, действующих на движущийся шкив. Первые 2 очевидны — от крупье к шкиву и от шкива к якорю, но 3-й может быть не таким очевидным: шкив, подключенный к основной линии через прусик, считается 3-м.Причина, по которой прусик считается 3-ей опорой, заключается в том, что в Z-Rig для построения системы MA используется фактическая тяговая линия, в отличие от предварительно созданной оснастки, которая будет прикрепляться к тяговой линии. Помните, что вам нужно будет протянуть через эту систему 3 фута веревки, чтобы переместить груз на 1 фут, но ваша входная сила будет увеличена в 3 раза.
Примечание. Сцепное устройство Trucker’s Hitch представляет собой еще более быстрое применение базовой концепции 3 к 1, но оно имеет гораздо большее трение в системе, что снижает тяговое усилие.При этом существует очень много ситуаций, когда все, что требуется, — это тянуть сцепное устройство дальнобойщика, и очень ценно знать, как быстро его установить. Вы можете посмотреть, как я привязываю English Trucker’s Hitch, здесь и увидеть его в действии здесь. Многие люди будут смеяться над сцепкой дальнобойщика из-за дополнительного трения, которое у него есть, но одним из лучших аспектов этого трения является то, что оно действует почти так же, как захват прогресса — трение помогает противостоять откату нагрузка .Давайте быстро рассмотрим концепцию отслеживания прогресса.
Когда мы говорим о достижении прогресса в механической системе преимущества, мы имеем в виду, что система разработана таким образом, чтобы не отступать. Другими словами, если мы продвинем груз на несколько футов к якорю, но затем отпустим тяговую линию, прогресс, который мы только что сделали, будет зафиксирован, груз не сможет просто вернуться туда, где он был. Эта функция системы MA становится очень полезной в критических ситуациях. Это также намного проще для наземной бригады, поскольку они могут поднять вверх, а затем расслабиться, если им нужно, зная, что прогресс, которого они только что достигли с помощью тяги, не будет потерян.Есть два основных способа достижения прогресса в системах MA: с помощью дополнительного шнура для прусика или с помощью кулачкового устройства. В приведенном выше примере Z-Rig прусик для захвата хода обычно устанавливается на анкерный шкив между анкером и грузом. Прусик будет контактировать со шкивом и пропустить веревку (продвигаться) при приложении входной силы, но если входная сила прекратится, прусик захватит веревку и не позволит ей проскользнуть обратно. Кулачок работает точно так же — это зубчатое устройство, которое позволяет веревке перемещаться через него только в одном направлении.
Progress Capture Prusik (установлен на стороне нагрузки анкерного шкива) (фото любезно предоставлено rope-access.co.jp)
Система вытягивания 5: 1, вероятно, является наиболее универсальным средством увеличения прилагаемых усилий при работе с деревьями. Ее можно использовать в любое время, когда нам нужно создать максимальное усилие на веревке, включая натяжение, подъем, вытягивание и т. Д. Эта система действительно эффективна, когда ваша наземная бригада ограничена по размеру, то есть когда есть только 1 или 2 человека тяга.
Система 5: 1 отличается от остальных, которые мы видели, потому что она хранится предварительно созданной, т.е.е. вы не собираете их каждый раз, чтобы использовать. Он состоит из сращенного троса, 2-х двойных шкивов, 2-х карабинов, фиксатора хода и шнура прусика для крепления к грузовой марке. Трос 5: 1 «начинается» у выступа на движущемся шкиве, затем дважды проходит через оба шкива, прежде чем выйти на движущийся шкив. Таким образом, на подвижный шкив воздействуют 5 отрезков каната. На этих простых рисунках сложно показать все 5 отрезков лески, но это выглядит примерно так:
Эта установка отличается от установки Z-Rig тем, что реальная веревка, прикрепленная к грузу, не интегрируется в систему MA.Здесь 5: 1 прикрепляется к грузовой линии, а затем остальная часть грузовой линии просто сидит на земле, провисая. Обратите внимание, что если бы вы настроили его задом наперед (то есть так, чтобы тяговая линия человечка выходила со стороны якоря), тогда на движущийся шкив воздействовали только 4 ножки веревки, и поэтому это будет установка 4: 1. . Так что помните, что с системами блокировки и захвата, когда это возможно, вы хотите настроить их так, чтобы ваше тяговое усилие было в направлении, противоположном нагрузке, а не в направлении груза.Эта концепция называется «стремление к преимуществу».
Что касается имен, я, как известно, использовал термин «скрипичный блок» как синоним «5 к 1» или «блок и захват», потому что они работают точно так же, и это действительно одно и то же. Технически блок скрипки — это просто специально разработанный двойной шкив, в котором 2 шкива имеют разный размер, при этом меньший шкив находится «внутри» большего шкива, что заставляет 4 ножки каната проходить «в линию» через систему, в отличие от бегать бок о бок друг с другом.Кроме того, большинство систем блока скрипок используют кулачки для захвата прогресса, в то время как большинство настроек блока и захвата используют для этой цели прусик. Итак, косметически они немного отличаются, но механически они одинаковы.
Система Fiddle Block (фото любезно предоставлено westechrigging.com)
(камера захвата прогресса находится вверху слева, там, где выходит веревка) Standard Block and Tackle 5: 1 system (фото любезно предоставлено arbtalk.co.uk) (обратите внимание на прусик для захвата прогресса — синяя веревка)
Последний аспект механического преимущества, который я хочу затронуть, — это то, что я называю системами Piggyback.Основная концепция здесь заключается в том, что вы можете настроить первичную систему скользящих средних (обычно 2: 1 или 3: 1), а затем присоединить вторичную систему скользящих средних, чтобы воздействовать на выходную линию первичной установки. Таким образом, системы будут размножаться вместе, чтобы значительно усилить результирующую тягу. Например, если вы построите систему скользящей средней 3: 1, а затем присоедините к ней еще одну систему скользящей средней 3: 1, то в результате получится механическое преимущество 3 x 3 = 9: 1! Таким образом, эта система 9: 1 может быть построена всего с 4 одиночными шкивами, или она также может быть построена с двойным шкивом на якоре и двумя одиночными подвижными шкивами.Вот как это могло бы выглядеть в стране крупье:
Надеюсь, вы сможете понять концепцию, которую я пытаюсь передать с помощью этой фотографии детского сада. У нас есть одно 3: 1, тянущее непосредственно к другому 3: 1, что умножает результирующую выходную силу, чтобы дать нам преимущество 9: 1! Таким образом, на каждый фунт тяги, оказываемой крупье, приходится 9 фунтов силы, тянущей груз, но для того, чтобы крупье переместило груз на 1 фут, он должен провести через систему 9 футов веревки! Показанная выше схема 9: 1 — лишь одна из многих составных систем МА, которые вы можете спроектировать, когда поймете все основные концепции, о которых мы говорили. Как и во всех рассмотренных нами схемах МА, вы должны учитывать свои точки привязки при проектировании комбинированных систем — они могут подвергаться адской нагрузке.
Итак, вернемся к примеру в самом начале. Надеюсь, вы видите, что благодаря использованию канатов и шкивов, наш единственный землянин, теперь хорошо обученный способам достижения механических преимуществ, сможет довольно легко создать тягу в 500 фунтов. Все, что для этого требуется, — это прочное знание основ, а также правильные инструменты и оборудование.Действительно, землянин, способный спроектировать и управлять сложными механическими системами преимущества, такими как эти, будет очень ценным активом для любой бригады деревьев.
Спасибо, что дочитали до конца еще одну длинную статью. Я действительно не знал, что это продлится так долго, пока я не попаду прямо в сорняки, но я думаю, что это оказалось действительно хорошо. Перефразируя Блейза Паскаля, «этот длиннее обычного, потому что у меня не было времени сделать его короче». Спасибо за внимание. А теперь давай!
Поднимитесь высоко, Работайте с умом, Подробнее.
— TreeMuggs
Я хотел бы получить известие от вас. Пожалуйста, присылайте все комментарии / вопросы / hatemail на [email protected]
Как работает блокировка и захват
Если вы когда-либо смотрели на конец крана, или если вы когда-либо использовали подъемник с двигателем или попутный автомобиль, или если вы когда-либо смотрели на такелаж на парусной лодке, то вы видели блок и снасть на работай. Блок и снасть — это комбинация каната и шкивов, позволяющая менять силу на расстояние.В этом выпуске How Stuff Works мы рассмотрим, как работает блок и захват, а также рассмотрим несколько других устройств, увеличивающих силу!
Понимание блока и захвата
Представьте, что у вас есть груз в 100 фунтов (45,4 кг), подвешенный на веревке, как показано здесь.
На этом рисунке, если вы собираетесь подвесить груз в воздухе, вам нужно приложить к веревке силу в 100 фунтов, направленную вверх.Если длина веревки составляет 100 футов (30,5 метра), и вы хотите поднять вес на 100 футов, вам необходимо натянуть веревку длиной 100 футов, чтобы сделать это. Это просто и очевидно.
А теперь представьте, что вы добавляете в смесь шкив.
Это что-нибудь меняет? Не совсем. Единственное, что меняется, — это направление силы, которую вы должны приложить, чтобы поднять вес. Вам все равно придется приложить 100 фунтов силы, чтобы удержать вес в подвешенном состоянии, и вам все равно придется наматывать 100 футов веревки, чтобы поднять вес на 100 футов.
На следующем рисунке показано устройство после добавления второго шкива:
Эта договоренность действительно меняет важные вещи. Вы можете видеть, что теперь груз удерживается двумя шкивами, а не одним. Это означает, что вес распределяется поровну между двумя шкивами, поэтому каждый из них выдерживает только половину веса, или 50 фунтов (22,7 кг). Это означает, что если вы хотите удерживать вес в подвешенном состоянии в воздухе, вам нужно приложить только 50 фунтов силы (потолок прилагает другие 50 фунтов силы к другому концу веревки).Если вы хотите поднять груз на 100 футов выше, вам нужно наматывать вдвое больше веревки. Необходимо натянуть веревку 0–200 футов. Это демонстрирует компромисс между силой и расстоянием. Усилие уменьшилось вдвое, но расстояние, на которое нужно тянуть веревку, увеличилось вдвое.
На следующей схеме третий и четвертый шкивы добавляются к устройству:
На этой схеме шкив, прикрепленный к грузу, фактически состоит из двух отдельных шкивов на одном валу, как показано справа.Такое расположение вдвое снижает силу и снова удваивает расстояние. Чтобы удерживать вес в воздухе, вы должны приложить только 25 фунтов силы, но чтобы поднять вес на 100 футов выше в воздухе, вы должны теперь намотать 400 футов веревки.
Блок и захват могут содержать сколько угодно шкивов, хотя в какой-то момент трение в валах шкивов начинает становиться значительным источником сопротивления.
.