Простые машины — это устройства, которые облегчают работу, позволяя нам прилагать силу на большие расстояния или усиливая силу. Они являются фундаментальными строительными блоками более сложных машин и глубоко интегрированы в изучение движения в физике. Этот урок посвящен шести классическим простым машинам: рычагу, колесу и оси, шкиву, наклонной плоскости, винту и клину, а также изучению того, как они изменяют движение и силу для выполнения работы.
Прежде чем углубляться в особенности простых машин, важно понять концепцию работы. Работа в физике определяется как сила, приложенная к объекту, умноженная на расстояние, на котором она приложена. Математически это выражается так:
\( W = F \times d \)где \(W\) — работа, \(F\) — приложенная сила, \(d\) — расстояние. Простые машины изменяют либо приложенную силу, либо расстояние, на котором действует сила, изменяя способ выполнения работы без изменения общего объема работы.
Рычаг — это твердый стержень, который вращается вокруг фиксированной точки, называемой точкой опоры. Он работает по принципу моментов, при котором момент (крутящий момент) на одной стороне точки опоры уравновешивается моментом на другой стороне. Момент представляет собой произведение приложенной силы и расстояния от точки опоры и определяется по формуле:
\( \textrm{Момент} = F \times d \)Рычаги подразделяются на три типа в зависимости от относительного положения приложенной силы, точки опоры и нагрузки. Качели — классический пример первоклассного рычага, точка опоры которого находится между силой и нагрузкой.
Колесо и ось состоят из колеса большего диаметра, прикрепленного к оси меньшего диаметра. Поворот колеса (или оси) заставляет другую часть двигаться, эффективно увеличивая силу или скорость. Механическое преимущество, то есть фактор, на который машина умножает приложенную к ней силу, зависит от радиуса колеса и оси согласно:
\( \textrm{Механическое преимущество} = \frac{\textrm{Радиус колеса}}{\textrm{Радиус оси}} \)Эту простую машину можно увидеть в таких устройствах, как ветряные мельницы и системы рулевого управления автомобилей, демонстрируя, как вращательное движение осуществляется с меньшими усилиями.
Шкив — это колесо на оси, предназначенное для поддержания движения веревки или троса. Шкивы могут изменять направление приложенной силы, часто уменьшая силу, необходимую для подъема груза. Один фиксированный шкив не дает никаких механических преимуществ, но система шкивов (блока и тали) может значительно снизить силу, необходимую для подъема тяжелых предметов, за счет распределения веса. Механическое преимущество полиспаста равно количеству сегментов каната, поддерживающих груз:
\( \textrm{Механическое преимущество} = \textrm{Количество сегментов поддерживающего каната} \)Наклонная плоскость – это плоская поверхность, наклоненная под углом к горизонту. Это позволяет легче поднимать груз, распределяя работу на большее расстояние. Чем длиннее наклонная плоскость, тем меньше силы требуется, чтобы поднять предмет на определенную высоту. Механическое преимущество наклонной плоскости определяется:
\( \textrm{Механическое преимущество} = \frac{\textrm{Длина наклона}}{\textrm{Высота наклона}} \)Этот принцип применяется в пандусах и горках, упрощая такие задачи, как погрузка товаров в грузовики или перемещение тяжелой мебели.
Винт — это, по сути, наклонная плоскость, обернутая вокруг цилиндра, преобразующая вращательное движение в линейное. Когда винт поворачивается, нити преобразуют вращательную силу в линейную силу, перпендикулярную винту, таким образом поднимая или стягивая объекты вместе. Механическое преимущество винта зависит от расстояния между его резьбами:
\( \textrm{Механическое преимущество} = \frac{2\pi \times \textrm{Радиус винта}}{\textrm{Подача}} \)где шаг — расстояние между соседними витками.
Клин – это устройство, состоящее из двух наклонных плоскостей. Он преобразует силу, приложенную к его широкому концу, в силы, перпендикулярные его наклонным поверхностям. Чем острее клин (меньше угол между его наклонными поверхностями), тем большую силу он оказывает перпендикулярно. Этот простой станок широко используется для резки и раскола таких предметов, как ножи и топоры.
Простые машины играют решающую роль в нашей повседневной жизни, упрощая задачи за счет изменения движения и силы. Понимание этих основных принципов механики закладывает основу для изучения более сложных механизмов и более глубокого изучения физики. Узнавая, как работают простые машины, мы получаем представление о фундаментальных принципах работы окружающего нас мира и инженерных принципах, которые делают возможной современную жизнь.
