Блоки и наклонные плоскости

Введение в простые механизмы

Простые механизмы — это базовые инструменты, которые помогают нам выполнять работу проще. У них нет или очень мало движущихся частей, и они являются строительными блоками для более сложных машин. Используя простые механизмы, люди могут применять меньше силы для выполнения задач. Существуют различные виды простых механизмов, такие как рычаги, колеса и оси, блоки, наклонные плоскости, клинья и винты. В этом уроке мы сосредоточимся на блоках и наклонных плоскостях.

Блок

Блок — это колесо с канавкой по его окружности, через которую проходит веревка или трос. Такая установка облегчает подъем тяжелых грузов и изменение направления приложенной силы. Блоки часто используются в кранах, лифтах и флагштоках.

Типы блоков

• Неподвижный блок: В неподвижном блоке колесо прикреплено к твердой конструкции. Этот тип блока не уменьшает количество силы, необходимой для подъема объекта, но изменяет направление силы. Например, когда вы тянете веревку вниз, объект поднимается вверх.
• Подвижный блок: В этом блоке колесо движется вместе с грузом. Когда вы используете подвижный блок, вы применяете меньше силы для подъема объекта, потому что блок делит вес с вами.
• Составной блок: В этой системе используются как неподвижные, так и подвижные блоки вместе. Составные блоки, или полиспасты, еще больше снижают требуемую силу и очень эффективны при подъеме тяжелых грузов.

Пример системы с неподвижным блоком:

На этой картинке блок прикреплен к потолку, и веревка проходит через колесо. Груз находится с правой стороны веревки, и когда вы тянете левую сторону веревки вниз, коробка поднимается вверх.

Как работают блоки

Блоки работают на принципе перенаправления силы и снижения прилагаемых усилий. Используя блок, силу, необходимую для подъема объекта, можно рассчитать по формуле:

Сила = Вес / Количество веревок, поддерживающих вес

Например, если вы поднимаете груз в 100 ньютонов с помощью неподвижного блока, сила, которую вы должны приложить, составляет 100 ньютонов, потому что только одна веревка поддерживает груз. В более сложной системе с двумя веревками, поддерживающими груз, каждая веревка поднимает половину веса, снижая требуемую силу до 50 ньютонов.

Наклонные плоскости

Наклонная плоскость — это плоская поверхность, наклоненная под углом, такая как пандус. Это позволяет поднимать или опускать груз с меньшими усилиями, чем при его вертикальном подъеме. Разменяв расстояние на силу, наклонная плоскость облегчает преодоление силы тяжести при перемещении объектов вверх или вниз.

Пример наклонной плоскости:

Этот пример показывает пандус, на котором размещен объект. Пандус помогает поднять объект, распределяя подъемное движение на большее расстояние.

Как работают наклонные плоскости

Наклонные плоскости уменьшают количество силы, необходимой для подъема объекта, за счет увеличения расстояния, на котором прикладывается сила. Механическое преимущество наклонной плоскости можно определить по соотношению длины наклона к высоте наклонной плоскости.

Механическое преимущество = Длина наклона / Высота

Например, если вам нужно толкнуть ящик вверх по пандусу длиной 10 метров и высотой 2 метра, механическое преимущество составит 5. Это означает, что вы прикладываете силу в пять раз меньше, чем если бы вы поднимали ящик прямо вверх.

Сравнение и использование в повседневной жизни

Блоки и наклонные плоскости помогают нам выполнять повседневные задачи с меньшими усилиями. Они встречаются в различных аспектах повседневной жизни и вовлекают принципы, которые делают задачи легче и безопаснее.

Общие примеры использования блоков

• Строительство: Краны используют сложные системы блоков для подъема тяжелых стальных балок и строительных материалов.
• Сельское хозяйство: Блоки часто используются в машинах и устройствах для подъема тюков сена или перемещения зерна.
• Тренажеры: Многие тренажеры в спортзале используют блоки для регулировки уровней сопротивления, делая тренировки более эффективными и настраиваемыми.

Общие примеры использования наклонных плоскостей

• Пандусы: Пандусы для инвалидных колясок — это наклонные поверхности, которые упрощают доступ людей к зданиям.
• Горки: На детских площадках часто есть горки, другая форма наклонной плоскости, которая облегчает движение за счет силы тяжести.
• Дороги: Восходящие спиральные горные дороги — это пример наклонной поверхности, которая уменьшает уклон и, следовательно, силу, необходимую транспортным средствам для движения вверх или вниз.

Решение реальной проблемы с использованием блоков и наклонных плоскостей

Пример задачи с блоками

Представьте, что у вас есть флаг, весящий 10 ньютонов, и вы используете систему с неподвижным блоком, чтобы поднять его. Вы хотите знать, какую силу нужно приложить:

Так как это неподвижный блок, вам нужно приложить силу, равную весу:

Сила = Вес = 10 ньютонов

Чтобы поднять флаг, вам нужно будет приложить силу в 10 ньютонов.

Пример задачи с наклонной плоскостью

Предположим, вам нужно толкать карт с весом 100 N вверх по пандусу длиной 5 м и высотой 1 м. Вы хотите знать механическое преимущество и необходимую силу:

Сначала рассчитайте механическое преимущество:

Механическое преимущество = Длина наклона / Высота = 5 метров / 1 метр = 5

Теперь рассчитайте необходимую силу:

Разделите вес карты на механическое преимущество, чтобы найти необходимую силу:

Сила = Вес / Механическое преимущество = 100 ньютонов / 5 = 20 ньютонов

Вам потребуется 20 ньютонов силы, чтобы толкнуть карт вверх по пандусу.

Заключение

Блоки и наклонные плоскости — это мощные примеры простых механизмов. Они помогают нам понять фундаментальные принципы физики и механики, такие как сила, работа и передача энергии. Освоив эти концепции, мы можем разрабатывать решения, делающие задачи легче, безопаснее и эффективнее.

Поднимаете ли вы объект с помощью блока или перемещаете объект по склону, эти простые механизмы демонстрируют красоту и эффективность базовых механических принципов.

Комментарии