Простые механизмы

Простые механизмы находят широчайшее применение в жизни и деятельности человека. Рассмотрим особенности их работы более детально.

К простым механизмам в механике принято относить два важнейших приспособления:

• наклонная плоскость и ее разновидности – клин, винт;
• рычаг и его разновидности – ворот, блок.

Оба этих простых механизма способны изменять направление вектора приложенной силы и даже менять его модуль.

Кроме того, многие авторы к простым механизмам также относят колесо и поршень. Колесо не меняет направление вектора силы, однако, оно существенно уменьшает потери на перемещение тела по ровной поверхности. Поршень же преобразует энергию газа или жидкости в механическую энергию перемещения.

Действие простых механизмов

Как было указано выше, простые механизмы предназначены для преобразования вектора силы. Но, делают они это по-разному.

Наклонная плоскость

Действие наклонной плоскости заключается в том, что при движении вдоль нее, возникает сила реакции опоры, перпендикулярная этой плоскости, которая, как правило, больше силы, продвигающей тело.

Без учета трения выигрыш в силе $alpha$ при равной высоте подъема $h$ будет пропорционален длине наклонной плоскости $L$:

$$alpha = {L\over h}$$

Для компенсации силы тяжести при вертикальном подъеме тела массой 1кг требуется прилагать усилие $F=mg=9.8Н$. Однако, если на каждый метр подъема использовать наклонную плоскость длиной 10м, то потребуется усилие:

$$F’ = {F\over alpha}= {Fh\over L}=0.98 Н$$

Винт – это та же наклонная плоскость, свернутая вокруг вертикальной оси, что позволяет значительно уменьшить ее габариты.

Рычаг

Рычаг – это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры, и имеет две разные точки приложения сил. Отрезки, соединяющие точки приложения сил с опорой, называются плечами рычага.

Если длины плеч рычага равны $l_1$ и $l_2$, а силы, приложенные к ним, соответственно равны $F_1$ и $F_2$, то условие равновесия рычага выражается формулой, которую можно использовать для определения неизвестной силы:

$${F_1 \over F_2} ={l_2 \over l_1}$$

То есть, если первое плечо будет иметь длину 3м, а второе 1м, то с помощью силы 10Н, приложенной к первому плечу можно создать на втором плечо усилие:

$$F_2 =F_1{l_2 \over l_1}=10{3 \over 1}=30Н$$

Блок – это, фактически, такой же рычаг с фиксированными длинами плеч. Для неподвижного блока плечи равны, для подвижного – одно плечо вдвое длиннее второго.