Шестой класс → Сила и скорость ↓
Простые механизмы и их использование
Добро пожаловать в увлекательный мир простых механизмов. Эти устройства используются на протяжении веков, чтобы облегчить труд. Хотя эти устройства могут показаться простыми, они являются основой многих устройств, которые изменили нашу жизнь. К концу этого урока вы должны хорошо понимать, что такое простые механизмы, как они работают и общие примеры, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни.
Что такое простые механизмы?
Простые механизмы — это устройства, которые используют механическое преимущество для облегчения нашего труда. У них нет источника энергии, и они зависят только от человеческих усилий или природных сил для выполнения задачи. Они помогают увеличивать силу, менять направление силы или увеличивать расстояние, на которое применяется сила.
Шесть типов простых механизмов
Существует шесть типов простых механизмов, и каждый из них имеет разные применения и преимущества. Это включает:
- Рычаг
- Колесо и ось
- Наклонная плоскость
- Винт
- Клин
- Блок
1. Рычаг
Рычаг — это жесткий брус, который опирается на точку опоры, называемую фулкрумом. Подумайте о качелях на игровой площадке. Рычаг позволяет использовать меньше усилий для подъема тяжелого предмета, прикладывая силу на одном конце, в то время как предмет, который нужно поднять, находится на другом конце.
Усилие x Расстояние усилия = Нагрузка x Расстояние нагрузки
Вот базовая схема, показывающая, как работает рычаг:
[ усилие ] -------- { опора } -------- [ вес ]
Пример: Использование лома для поднятия камня.
2. Колесо и ось
Колесо и ось состоят из большого круглого объекта (колесо), прикрепленного к меньшему цилиндрическому объекту (ось). Когда вы прикладываете силу к колесу, оно вращает ось, которая также может вращаться для выполнения работы.
Пример: Рулевое колесо, дверные ручки и скалки работают, используя концепцию колеса и оси.
3. Наклонная плоскость
Наклонная плоскость — это плоская поверхность, установленная под углом к другой поверхности. Это позволяет приложить меньше силы на более длинном расстоянии, чтобы поднять что-то тяжелое.
Пример: Пандус облегчает подъем тяжелой коробки в грузовик, так как можно толкать ее по склону, а не поднимать прямо вверх.
4. Винт
Винт — это в основном наклонная плоскость, обернутая вокруг центрального стержня. Он преобразует вращательное усилие в линейное движение.
[ резьбы, вращающиеся вокруг винта ]
Пример: Винты используются для скрепления деревянных деталей или в крышках банок и лампочках. Когда вы поворачиваете винт, резьбы перемещают его вперед или назад в зависимости от направления.
5. Клин
Клин создается путем соединения двух наклонных плоскостей. Он используется для разделения, резки или разделения предметов. Сила прикладывается к широкой части, и он перемещает объект ближе к заостренному концу.
Пример: Ножи, топоры и долоты используют принцип клина для работы. Например, топор расщепляет древесину, сосредотачивая силу на краю древесины.
6. Блок
Блок состоит из колеса и веревки. Он используется для подъема тяжелых вещей. Когда вы тянете за одну сторону веревки вниз, колесо вращается и поднимает объект на другой стороне.
[ Веревка ] ------> О------> [ Вес ]
Пример: Лифт использует сложную систему блоков для подъема и опускания кабины.
Смешанные механизмы
Большинство машин, которые мы используем каждый день, являются сложными машинами, которые представляют собой комбинации простых механизмов. Возьмем, к примеру, велосипед, который использует колеса и оси для движения, рычаги для тормозов и шестерни, которые действуют как рычаги.
Механическое преимущество простых механизмов
Термин «механическое преимущество» относится к тому, насколько простой механизм может усилить входную силу. Оно рассчитывается путем деления выходной силы на входную силу. Вот формула:
Механическое Преимущество (МП) = Выходная Сила / Входная Сила
Высокое механическое преимущество означает, что машина может выполнять больше работы с меньшей силой. Разные простые механизмы предлагают разные механические преимущества в зависимости от их конструкции и способа использования.
Эффективность
Эффективность измеряет, насколько хорошо машина преобразует входную энергию (или силу) в выходную работу. Ни одна машина не является 100% эффективной, так как часть энергии обычно теряется из-за трения или других сил.
Эффективность (%) = (Выходная Работа / Входная Работа) x 100
Примеры простых механизмов в повседневной жизни
Простые механизмы находятся повсюду, даже если они часто остаются незамеченными. Вот несколько примеров более подробно:
Рычаги в реальной жизни: ножницы
Ножницы имеют два рычага, соединенных с клином (лезвием). Приложив усилие к ручке, вы сводите лезвия вместе и режете бумагу или ткань.
Колесо и ось: шины автомобиля
Шины автомобиля прекрасно демонстрируют эффект колеса и оси. Сила двигателя вращает ось, которая вращает шины, чтобы двигать автомобиль.
Наклонная плоскость: горные дороги
Извилистые дороги на холмах имеют наклон. Вместо крутых подъемов они обеспечивают более управляемый уклон, облегчающий подъем и спуск для транспортных средств.
Винт: крышки на банках
Крышка банки имеет резьбы, которые соответствуют верхней части банки. Поворачивая его вниз, вы плотно закрываете банку, а поворачивая вверх, открываете банку.
Клин: вилки
Вилка работает по принципу клина. Ее зубья вдавливаются или продавливаются в пищу, и давление заставляет кусочки пищи разделяться.
Блок: флагшток
Блоки используются на флагштоках для подъема и спуска флага. Когда вы тянете веревку вниз, флаг поднимается с другой стороны.
Понимание работы, силы и движения
Чтобы полностью понять функционирование простых механизмов, кратко рассмотрим понятия работы, силы и движения. Когда сила применяется к объекту и он движется, выполняется работа. В физике существует четкое определение «работы»:
Работа = Сила x Расстояние
Где «работа» (W) измеряется в джоулях (Дж), «сила» (F) измеряется в ньютонах (Н), а «расстояние» (d) измеряется в метрах (м).
Пример: Чтобы толкать коробку через комнату, необходимо приложить силу на расстоянии, что выполняет работу над коробкой.
Роль трения
Трение - это сопротивляющая сила, которая возникает, когда два основания скользят друг по другу. Хотя это часто приводит к потере энергии, оно иногда необходимо - например, трение между шинами и дорогой, которое помогает автомобилю двигаться.
Снижение трения
Смазывающие вещества, такие как масло, часто используются для снижения трения, что делает работу машин более плавной и эффективной.
Простые механизмы не устраняют работу, они просто делают работу легче. Поняв простые механизмы, вы осознаете, что даже самое простое устройство может иметь огромное влияние.
Заключение
Наследие простых механизмов заключается в их способности помогать в трудоемких задачах, что делает их основными инструментами как в древнем, так и в современном обществе. Через простые механизмы вы осознаете изобретательность человеческой инженерии и ее вклад в нашу повседневную жизнь.
После понимания этих принципов простых механизмов они развенчивают многие сложные устройства вокруг нас. Изучая больше о физике и механизмах, помните эти основы и замечайте их приложения вокруг вас.
Комментарии