Простые механизмы. Условия равновесия рычага. Момент силы. Равновесие тела с закрепленной осью вращения. Виды равновесия тел. Равновесие тел, имеющих ось вращения

21.09.2019

1. Что изучают в статике.

2. Равновесие тел при отсутствии вращения.

3. Равновесие тел с закрепленной осью вращения. Момент силы. Правило моментов. Правило рычага.

4. Виды равновесия тел (устойчивое и неустойчивое). Центр тяжести.

1. Мы уже знаем, что законы Ньютона позволяют узнать, какие ускорения получают тела под действием приложенных к ним сил. Но очень часто бывает важно знать, при каких условиях тела, на которые могут действовать различные силы, не получают ускорений. О таких телах говорят, что они находятся в состоянии равновесия. В таком состоянии, в частности, находятся покоящиеся тела. Знать условия, при которых тела находятся в покое, очень важно для практики, например при постройке зданий, мостов, всевозможных опор, подвесов, при изготовлении машин, приборов и т.д. Для Вас этот вопрос, также не менее важен! Но основами равновесия в спорте более подробно занимается такая наука, как биомеханика, изучением которой вы займетесь на третьем курсе.

А механика занимается более общими вопросами. Та часть механики, в которой изучается равновесие твердых тел, называется статикой. Известно, что всякое тело может двигаться поступательно и, кроме того, вращаться или поворачиваться вокруг какой-нибудь оси. Чтобы тело находилось в покое, оно не должно ни двигаться поступательно, ни вращаться или поворачиваться вокруг какой-нибудь оси. Рассмотрим условия равновесия тел для этих двух видов возможного движения по отдельности. А выяснить, какие именно условия обеспечивают равновесие тел, помогут нам законы Ньютона.

2. Равновесие тел при отсутствии вращения. При поступательном движении тела можно рассматривать движение только одной точки тела -его центра масс. При этом мы должны считать, что в центре масс сосредоточена вся масса тела и к нему приложена равнодействующая всех сил, действующих на тело. (Сила, которая одна может сообщить телу такое же ускорение, как и все одновременно действующие на него силы, вместе взятые, называется равнодействующей этих сил).

Из второго закона Ньютона следует, что ускорение этой точки равно нулю, если геометрическая сумма всех приложенных к ней сил -равнодействующая этих сил - равна нулю. Это и есть условие равновесия тела при отсутствии его вращения.

Чтобы тело, которое может двигаться поступательно (без вращения), находилось в равновесии, необходимо, чтобы геометрическая сумма сил, приложенных к телу, была равна нулю. Но если геометрическая сумма сил равна нулю, то и сумма проекций векторов этих сил на любую ось тоже равна нулю. Поэтому условие равновесия тела можно сформулировать и так: чтобы невращающееся тело находилось в равновесии, необходимо, чтобы сумма приложенных к телу сил на любую ось была равна нулю.

В равновесии, например, находится тело, к которому приложены две равные силы, действующие вдоль одной прямой, но направленные в противоположные стороны (рис.1).

Состояние равновесия – это не обязательно состояние покоя. Из второго закона Ньютона следует, что, когда равнодействующая сил, приложенных к телу, равна нулю, тело может двигаться прямолинейно и равномерно. При таком движении тело тоже находится в состоянии равновесия.

Например, парашютист, после того как он начал падать с постоянной скоростью, находится в состоянии равновесия. На рисунке 1 силы приложены к телу не в одной точке. Но важна не точка приложения силы, а прямая вдоль которой она действует. Перенос точки приложения силы вдоль линии ее действия ничего не изменяет ни в движении тела, ни в состоянии равновесия. Ясно, например, что ничего не изменится, если вместо того чтобы тянуть вагонетку, ее станут толкать. Если равнодействующая сил, приложенных к телу, не равна нулю, то, для того чтобы тело находилось в состоянии равновесия, к нему должна быть приложена добавочная сила, равная по модулю равнодействующей, но противоположная ей по направлению.

Эта сила называется уравновешивающей.

3. Равновесие тел с закрепленной осью вращения. Момент силы. Правило моментов. Правило рычага. Пара сил.

Итак, условия равновесия тела при отсутствии вращения выяснены. Но как обеспечивается отсутствие вращения тела. Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим тело, которое не может совершать поступательного движения, но может поворачиваться или вращаться. Чтобы сделать невозможным поступательное движение тела, его достаточно закрепить в одной точке так, как можно, например, закрепить доску на стене, прибив её одним гвоздем; поступательное движение такой доски становится невозможным, но доска может поворачиваться вокруг гвоздя, который служит ей осью вращения.

Теперь выясним, какие силы не могут и какие могут вызвать поворот (вращение) тела с закрепленной осью вращения. Рассмотрим, некоторое тело (см.рис.2), которое может поворачиваться, вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа. Из этого рисунка видно, что силыF 1 ,F 2 иF 3 не вызовут поворота тела. Линии их

действия проходят через ось вращения. Любая такая сила будет уравновешена силой реакции закрепленной оси. Поворот (или вращение) могут вызвать лишь такие силы, линии, действия которых не проходят через ось вращения. Сила F 1 , например, приложенная к телу так, как показано на рисунке 3, заставит тело повернуться по часовой стрелке, сила F 2 вызовет поворот тела против часовой стрелки.

Чтобы сделать поворот иди вращение невозможным, нужно, очевидно, приложить к телу по крайней мере две силы: одну, вызывающую поворот по часовой стрелке, другую - против часовой стрелки. Но эти две силы могут быть и неравны друг другу (по модулю). Например, сила F 2 (см. рис.4) вызывает поворот тела против часовой стрелки.

Как показывает опыт, ее можно уравновесить силой F 1 , вызывающей поворот тела по часовой стрелке, но по модулю меньшей чем сила F 2 . Значит, у этих двух неодинаковых по модулю сил одинаковое, так сказать "вращающее действие". Что же у них общего, что для них одинаково? Опыт показывает,

что в этом случае одинаково произведение модуля силы на расстояние от оси вращения до линии действия силы (слово "расстояние" здесь означает длину перпендикуляра, опущенного из центра вращения на направление действия силы). Это расстояние называется плечом силы. Плечо силы F 1 - это d 1 , плечо силы f 2 - это d 2 .  F 1  d 1 = F 2 d 2 ;

M = |f | d Итак, "вращающее действие" силы характеризуется произведением модуля силы на её плечо. Величина, равная произведению модуля силыF на её плечо d, называетсямоментом силы относительно оси вращения. Слова "относительно оси" в определении момента необходимы потому что, если, не изменяя ни модуля силы, ни её направления, перенести ось вращения, из точки О в другую точку, то изменится плечо силы, а значит и момент силы. Момент силы характеризует вращательное действие этой силы и во вращательном движении играет ту же роль, что и сила в поступательном движении.

Момент силы зависит от двух величин: от модуля самой силы и от ее плеча. Один и тот же момент силы может быть создан малой силой, плечо которой велико, и большой силой с малым плечом. Если, например, пытаться закрыть дверь, толкая ее поблизости от петель, то этому с успехом сможет противодействовать ребёнок, который догадается толкать ее в другую сторону, приложив силу поближе к краю, и дверь останется в покое. Для новой величины - момента силы – нужно найти единицу. За единицу момента силы в СИ принят момент силы в 1Н, линия действия которой отстоит от оси вращения на 1м. Эту единицу называют ньютон-метром (Н м).

Моментам сил, вращающих тело по часовой стрелке, принято приписывать положительный знак, а против часовой стрелки -отрицательный.

Тогда моменты сил F 1 иF 2 относительно оси О имеют противоположные знаки и их алгебраическая сумма равна нулю. Таким образом, мы можем написать условие равновесия тела с закрепленной осью: F 1 d 1 =F 2 d 2 или – F 1 d 1 +F 2 d 2 =0, М 1 +М 2 =0.

Следовательно, тело имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех действующих на тело сил относительно данной оси равна нулю, т.е. если сумма моментов сил, действующих на тело по часовой стрелке, равна сумме моментов сил действующих на тело против часовой стрелки.

Это условие равновесия тел с неподвижной осью вращения называют правилом моментов .

Рычаги. Правило рычага

Нетрудно понять, что из правила моментов следует знаменитое правило рычага.

Рычагом называют имеющее неподвижную ось вращения твердое тело, на которое действуют силы, стремящиеся повернуть его вокруг этой оси. Различают рычаги первого и второго года. Рычагом первого рода называют такой рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну и ту же сторону (см.рис. 5). Примерами рычагов первого рода могут служить коромысло равноплечих весов, железнодорожный шлагбаум, колодезный журавль, ножницы и т.д.

Рычагом второго рода называют такой рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу (см. рис. 6) Примерами рычагов второго рода являются гаечные ключи, различные педали, щипцы для раскалывания орехов, двери и т.д. Согласно правилу моментов, рычаг (любого рода), урав-новешен только тогда, когда М 1 =М 2 . Поскольку М 1 =F 1 d 1 и М 2 =F 2 d 2 , получаем F 1 d 1 =F 2 d 2 . Из последней

формулы следует, что F 1 /F 2 =d 1 /d 2 . Рычаг находится в равновесии, когда действующие на него силы обратно пропорциональны их плечам. Но это не что иное, как другое выражение правила моментов: F 1 /F 2 =d 1 /d 2 . Из последней формулы видно, чтоcпомощью рычага можно получить выигрыш силе тем больший, чем больше соотношение плеч. Это широко используют на практике.

Пара сил. Две равные по модулю антипараллельные силы, приложенные к телу в разных точках, называют парой сил. Примерами пары сил могут служить силы, которые приложены к рулевому колесу автомобиля, электрические силы, действующие на диполь магнитные силы, действующие на магнитную стрелку и т.д. (см.рис 7).

Пара сил не имеет равнодействующей, т.е. совместное действие этих сил нельзя заменить действием одной силы. Поэтому пара сил не может вызвать поступательное движение тела, а вызывает только его вращение. Если при повороте тела под действием пары сил направления этих сил не изменяются, то поворот тела происходит до тех пор, пока обе силы не окажутся действующими противоположно друг другу вдоль прямой, проходящей через ось вращения тела.

Пусть на тело, имеющее закрепленную ось вращения О, действует пара сил f иf (см. рис.8). Моменты этих сил M 1 =|f |d 1 <0 и M 2 =|f | d 2 <0. Сумма моментов M 1 +M 2 =|f|(d 1 +d 2)= =|f|d0, следовательно, тело не находится в равновесии. Кратчайшее расстояние d=d 1 +d 2 между параллельными прямыми,

вдоль которых действуют силы, образующие пару сил, называют плечом пары сил; M=|f|d- это момент пары сил. Следовательно, момент пары сил равен произведению модуля одной из сил этой пары на плечо пары независимо от положения оси вращения тела при условии, что эта ось перпендикулярна плоскости, в которой находится пара сил.

Если пара сил действует на тело, не имеющее закрепленную ось вращения, она вызывает вращение этого тела вокруг оси, отходящей через центр масс данного тела.

4. Виды равновесия тел.

Если тело находится в равновесии, то это значит, что сумма приложенных к нему сил равна нулю и сумма моментов этих сил относительно оси вращения также равна нулю. Но возникает вопрос: а устойчиво ли равновесие? (F = 0,M = 0).

С первого взгляда видно, например, что положение равновесия шарика на вершине выпуклой подставки неустойчиво: малейшее отклонение шарика от его равновесного положения приведёт к тому, что он скатится вниз. Поместим тот же шарик на вогнутой подставке. Его не так-то просто заставить покинуть свое место. Равновесие шарика можно считать устойчивым.

В чём же секрет устойчивости? В рассмотренных нами случаях шарик находится в равновесии: сила тяжестиf т, равна по модулю противоположно направленной силе упругости (силе реакции)N со стороны опоры. Всё дело, оказывается, именно в том малейшем отклонении, о котором мы упоминали. На рисунке 9 видно, что как только шарик на выпуклой подставке покинул свое место, сила тяжести f т перестаёт уравновешиваться силойN со стороны опоры (силаN всегда направлена

перпендикулярно поверхности соприкосновения шарика и подставки). Равнодействующая силы тяжести f т и силы реакции опорыN , т.е. сила F, направлена так, что шарик ещё больше удалится от положения равновесия. Иное дело на вогнутой подставке (рис.10). При малом отклонении от первоначального положения здесь тоже нарушается равновесие. Сила упругости со стороны опоры и здесь уже не будет уравновешивать силу тяжести. Но теперь равнодействующая этих силF T направлена так, что тело вернётся в прежнее положение. В этом и состоит условие устойчивости равновесия.

Равновесие тела устойчиво, если при малом отклонении равновесного положения равнодействующая сил, приложенных к телу, возвращает его к положению равновесия.

Равновесие неустойчиво, если при малом отклонении тела от положения равновесия равнодействующая сил, приложенных к телу, удаляет его от этого положения.

Это справедливо и для тела, имеющего ось вращения. В качестве примера такого тела рассмотрим обыкновенную линейку, укрепленную на стержне, проходящем через отверстие вблизи ее конца. Из рисунка 11а видно, что положение линейки устойчиво. Если же подвесить ту же линейку так, как показано на другом рисунке 11б, то равновесие линейки будет неустойчивым.

Устойчивое и неустойчивое положения равновесия друг от друга ещё и положением центра тяжести тела.

Центром тяжести твёрдого тела, называют точку приложения равнодействующей всех сил тяжести, действующих на каждую частицу этого тела. Центр тяжести твёрдого тела совпадает с его центром масс. Поэтому центр масс часто называют центром тяжести. Однако между этими понятиями есть отличие. Понятие центра тяжести справедливо только для твёрдого тела, находящегося в однородном поле сил тяжести, а понятие центра масс не связано ни cкаким силовым полем и справедливо для любого тела (механической системы).

Итак, для устойчивого равновесия центр тяжести тела должен находиться в самом низком из возможных для него положений.

Равновесие же тела, имеющего ось вращения, устойчиво при условии, что его центр тяжести расположен ниже оси вращения.

Возможно и такое положение равновесия, когда отклонения от него не приводит к каким-либо изменениям в состоянии тела. Таково, например, положение шарика на плоской опоре или линейки, подвешенной на стержне, проходящем через её центр тяжести. Такое равновесие называется безразличным.

Мы рассмотрели условие равновесия тел, имеющих точку опоры или ось опоры. Не менее важен случай, когда опора приходится не на точку (ось), а на некоторую поверхность.

Тело, имеющее площадь опоры, находится в равновесии; когда вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, не выходит за пределы площади опоры этого тела. Различают те же случаи равновесия тела, что упоминались выше. Однако равновесие тела, имеющего площадь опоры, зависит не только от расстояния его центра тяжести от Земли, но и от расположения и размеров площади опоры этого тела. Для того, чтобы можно было одновременно учитывать и высоту центра тяжести тела над Землёй, и значение его площади опоры, было введено понятие угол устойчивости тела.

Углом устойчивости называют угол, образованный горизонтальной плоскостью и прямой, соединяющей центр тяжести тела с краем площади опоры. Как видно из рисунка 12, угол устойчивости уменьшается, если каким-либо способом центр тяжести тела понижают (например, делают нижнюю часть тела более массивной или часть тела зарывают в Землю, т.е. создают фундамент, а также увеличивают площадь опоры тела). Чем меньше угол устойчивости, тем устойчивее равновесие тела.

Вывод: для того чтобы какое-либо тело находилось в равновесии, необходимо одновременное выполнение двух условий: во-первых, векторная сумма всех приложенных к телу сил должна быть равна нулю и, во-вторых, нулю должна быть равна и алгебраическая сумма моментов всех действующих на тело сил относительно произвольной неподвижной оси.

Тема : Простые механизмы. Условия равновесия рычага. Момент силы. Равновесие тела с закрепленной осью вращения. Виды равновесия тел.

Цель урока: познакомить учеников с разными видами простых механизмов; выяснить условие равновесия рычага; познакомить учеников с применением правила моментов для блоков как разновидностей рычага; познакомить учеников с одним из видов простых механизмов - наклонной плоскостью. Продолжить формирование приемов умственной деятельности – анализа, синтеза, сравнение, систематизации; воспитывать наблюдательность, настойчивость, старательность, дисциплину труда; развивать у них политехнический кругозор, умение аргументировано объяснять закономерности явлений природы, применять теоретические положения для познания действительности, мышление, творческие способности учеников. Формировать навыки работы с учебником.

Тип урока: урок изучения нового материала.

План урока

Контроль знаний		физический диктант
Демонстрации		1. Изменение действия силы с помощью рычага. 2. Равновесие рычага. 3. Момент силы 4. Тело на наклонной плоскости.
Изучение нового материала		2. Момент силы. Правило моментов 3. Недвижимый блок. 4. Подвижный блок. 5. Наклонная плоскость. 6. Применение простых механизмов в технике и живой природе
Закрепление изученного материала		1. Контрольные вопросы. 2. Учимся решать задачи. 3. Подумай и отвечай

Изучение нового материала

Мотивация учебной деятельности

Учитель. Итак, мы получили определенные знания о механической работе, а также узнали, что разные устройства выполняют ее с разной скоростью. Сегодня на уроке мы будем продолжать углублять знание о механической работе и поговорим об устройствах, которые с давних времен использовал человек для выполнения работы. Рассмотрим опыт:

Демонстрация 1. Груз поднимают на определенную высоту с помощью динамометра. Тот самый груз вытягивают по наклонной плоскости с помощью того же динамометра.

В процессе беседы ученики анализируют увиденное, делают вывод, что по наклонной плоскости поднимать грузы легче, припоминают, где видели что-то подобное на практике (ученики легко приводят примеры поднимания дерева на трактор или на телегу, загрузка бочки с тяжелым содержимым на грузовую машину и т.п.)

(в тетрадь): Устройства, которые предназначены для преобразования сил, называются простыми механизмами.

1. Рычаг

Используя разные приспособления, человек с незапамятных времен стремился облегчить свою работу, связанную с перемещением и подъемом тяжелых предметов.

В физике приспособления для преобразования движения и силы называют механизмами. Большинство из них были изобретены еще до нашей эры. Еще древние египтяне использовали наклонную плоскость, чтобы поднять тяжелые каменные блоки к вершине пирамиды.

Механизмы, которые используются человеком, могут быть устроены очень сложно, однако для понимания их работы достаточно выучить так называемые простые механизмы - рычаг и наклонную плоскость.

Каждому известно, что тяжелый предмет можно сдвинуть с места с помощью довольно длинного стрежня. Причем этот стрежень оборачивается вокруг недвижимой точки опоры (эту точку называют осью обращения).

Рычаг - это твердый стрежень, который может оборачиваться вокруг недвижимой опоры.

Рычаг - первый простейший механизм, которым человек пользовался на протяжении десятков тысяч лет. Изображение рычага можно найти в древних книгах, на стенах храмов, папирусах. Примером рычагов могут служить ножницы, плоскогубцы.

Рычаг - это необязательно длинный и тонкий предмет. Например, колесо - тоже рычаг, потому что это твердое тело, которое оборачивается вокруг оси.

Введем еще два определения. Линией действия силы назовем прямую, которая проходит через вектор силы. Кратчайшее расстояние от оси рычага к линии действия силы назовем плечом силы. Из курса геометрии вы знаете, что кратчайшее расстояние от точки до прямой - это перпендикуляр к этой прямой.

Выучим условия равновесия рычага исследовательским путем. Возьмем как рычаг крепкий стрежень с делениями, нанесенными на равных расстояниях друг от друга, который может свободно оборачиваться вокруг оси, которая проходит через его середину. Будем подвешивать к рычагу разные грузы, добиваясь того, чтобы рычаг с грузами находился в равновесии (см. рисунок).

Со стороны грузов на рычаг будут действовать силы F 1 и F 2 , которые равны весам этих грузов.

Обозначим l 1 и l 2 плечи сил F 1 и F 2 , соответственно.

Поставив несколько опытов, мы докажем, что рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если:

приложенные к рычагу силы стараются вращать его в противоположных направлениях;

модули приложенных к рычагу сил обратно пропорциональны плечам этих сил:

2. Момент силы. Правило моментов

С тех пор как Архимед установил правило рычага, оно просуществовало в первичном виде почти 1900 лет. И лишь в 1687 году французский ученый П. Вариньон предоставил ему более общей формы, воспользовавшись понятием момента силы.

Произведение модуля силы на его плечо называют моментом силы.

где М - момент силы, F - сила, l - плечо силы.

Докажем, что рычаг находится в равновесии, если момент силы, который вращает его по часовой стрелке, равняется моменту силы, который вращает его против часовой стрелки, то есть

Преобразуем выражение так, чтобы в каждой части равенства стояли величины, которые характеризуют только одну силу: ее модуль и плечо. Мы получим Но - момент силы, который вращает его против часовой стрелки (см. рисунок), а - момент силы, который вращает его по часовой стрелке. Условие равновесия рычага можно теперь сформулировать так: рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил, которые оборачивают рычаг в одном направлении, равняется сумме моментов сил, которые оборачивают его в противоположном направлении. Условие равновесия в таком виде называют правилом моментов. Как вытекает из определения, единицей момента сил является 1 Н* м. Из условия равновесия рычага вытекает, что, используя рычаг, можно получить выигрыш в силе. Силой, приложенной к большему плечу рычага, можно уравновесить силу, которая значительно больше, чем приложенная.

Необходимо обратить внимание учеников на то, что если мы с помощью рычага получаем выигрыш в силе, то мы обязательно проиграем в перемещении.

С помощью рычага можно получить выигрыш не только в силе, но и в перемещении - прикладывая силу к более короткому плечу рычага. Правда, выигрыш в перемещении непременно сопровождается проигрышем в силе.

3. Неподвижный блок

Блок, ось которого закреплена и при подъеме грузов не опускается и не поднимается, называют неподвижным блоком .

Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равняются радиусу колеса: OA =OB =r .

Если приложить к концам нити силы, то условием равновесия блока будет равенство приложенных сил: F 1 = F 2 .

Отсюда вытекает, что

неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но позволяет менять направление действия силы.

Необходимо обратить внимание на то, что неподвижный блок не дает проигрыша в расстоянии: на какую высоту опустится конец веревки, за который мы тянем, на столько же поднимется груз, который прикреплен к другому концу.

4. Подвижный блок

Подвижный блок можно рассматривать как рычаг, который оборачивается вокруг точки прикосновенья веревки и колеса (на рисунке это точка А).

Точка А - точка опоры рычага, ОА - плечо силы Р и АВ - плечо силы F .

Поскольку плечо А В вдвое больше плеча ОА , то сила F вдвое меньше силы Р :

Таким образом,

подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза.

Необходимо обратить внимание учеников на то, что, используя подвижный блок, мы проиграем в перемещении тоже в два раза: ведь для поднятия груза на высоту h нам придется выбирать трос длиной 2h .

Кроме того, подвижный блок меняет направление силы, которую мы прикладываем к свободному концу веревки, на противоположное.

5. Наклонная плоскость

Наклонная плоскость применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия.

К таким устройствам принадлежат пандусы, эскалаторы, обычные ступеньки, а также конвейеры (с роликами для уменьшения трения).

Измерим вес тележки.

Будем поднимать его вдоль наклонной плоскости.

Мы увидим, что тележку можно поднять силой, которая меньше веса тележки. Если l - длина наклонной плоскости, h - высота наклонной плоскости, P - вес тележки, F - сила, приложенная к тележке, то при отсутствии силы трения можно записать:

Таким образом,

при использовании наклонной плоскости выигрывают в силе в столько раз, во сколько раз длина наклонной плоскости больше ее высоты.

Благодаря тому, что наклонная плоскость позволяет получить выигрыш в силе, причем довольно значительный, если ее длина намного больше высоты, наклонную плоскость использовали еще в давность для поднятия тел, например, при строительстве египетских пирамид.

6. Применение простых механизмов в технике и живой природе.

Для всех простых механизмов характерно следующее: пользуясь ими, можно выиграть или в силе (проигравши в расстоянии), или в расстоянии (проигравши в силе).

Правило рычага лежит в основе действия разного рода инструментов и приоров, что применяются в технике и быту там, где нужен выигрыш в силе или пути. Выигрыш в силе мы имеем при работе с ножницами разных видов и кусачками.

Рычаги разного вида имеются во многих машинах: ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, педали автомобиля и трактора, клавиши пианино, рукоятки станков, рычаг сверлильного станка и т.д.

Рычаги встречаются в разных частях тела животных и человека. Это, например, конечности, челюсти. Много рычагов можно указать в теле насекомых, птиц, в строении растений.

Вопросы к ученикам в ходе изложения нового материала

Какое назначение простых механизмов?

Что такое линия действия силы?

Как найти плечо силы?

Приведите примеры использования условия равновесия рычага.

Как можно с помощью рычага получить выигрыш в перемещении?

Что характеризует момент силы?

Приведите примеры применения недвижимого блока.

Приведите примеры применения подвижного блока.

Как с помощью блоков получить выигрыш в силе больше, чем вдвое?

Какими простыми механизмами вы пользуетесь в быту? Приведите примеры.

Можно ли рассматривать недвижимый и подвижный блоки как рычаги?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

Учимся решать задачи

1. Запишите правило моментов для случаев, изображенных на рисунках.

2. Плечи рычага равняются 25 см и 40 см. Меньшая из двух вертикальных сил, которые действуют на рычаг, равняется 40 Н. Чему равна вторая сила, если рычаг находится в равновесии?

3. К концам рычага приложены вертикальные силы 25 Н и 15 Н. Длинное плечо рычага равняется 15 см. Какова длина короткого плеча? Рычаг находится в равновесии.

4. Как с помощью двух подвижных блоков получить выигрыш в силе в 4 раза? Можно использовать любое число неподвижных блоков. Приведите 2 решения задачи.

Решение

1) Можно использовать 2 подвижных блока и 1 неподвижный, как показано на левом рисунке ниже. Каждый из подвижных блоков дает выигрыш в силе в 2 раза, поэтому сила натяжения веревки a равняется 2F , а сила натяжения веревки b , что удерживает груз, равняется 4F , то есть суммарный выигрыш в силе в 4 раза.

2) Можно использовать 2 подвижных блока и 2 неподвижных, как показано на правом рисунке ниже. При этом сила натяжения каждой из двух веревок, которые удерживают груз, равняется 2F , благодаря чему выходит суммарный выигрыш в силе в 4 раза.

5. Тележку поднимают по наклонной плоскости, прикладывая силу 100 Н, направленную вдоль наклонной плоскости. Какая масса тележки, если длина наклонной плоскости 2 м, а высота 1 м? (Ответ . 20 кг)

6. Груз массой 300 кг поднимают с помощью одного подвижного блока, прикладывая силу 1600 Н. Какая масса блока? (Ответ . 20 кг)

2. Подумай и отвечай

1. Почему диаметр ведущих колес трактора значительно больше диаметра ведущих колес легкового автомобиля?

2. Почему разматывать нить из полной катушки легче, чем из частично размотанной?

3. Как можно соединить друг с другом неподвижные и подвижные блоки, чтобы получить выигрыш в силе в 6 раз?

4. В каком направлении надо тянуть свободный конец веревки, чтобы легче было поднимать груз?

Домашнее задание

При одновременном действии на одно тело нескольких сил тело движется с ускорением, являющимся векторной суммой ускорений, которые бы возникли под действием каждой силы в отдельности. Действующие на тело силы, приложенные к одной точке, складываются по правилу сложения векторов.

Векторная сумма всех сил, одновременно действующих на тело, называется равнодействующей силой .

Прямая, проходящая через вектор силы, называется линией действия силы. Если силы приложены к разным точкам тела и действуют не параллельно друг другу, то равнодействующая приложена к точке пересечения линий действия сил. Если силы действуют параллельно друг другу, то точки приложения результирующей силы нет, а линия ее действия определяется формулой: (см. рисунок).

Момент силы. Условие равновесия рычага

Основным признаком взаимодействия тел в динамике является возникновение ускорений. Однако часто бывает нужно знать, при каких условиях тело, на которое действует несколько различных сил, находится в состоянии равновесия.

Существует два вида механического движения – поступательное движение и вращение .

Если траектории движения всех точек тела одинаковы, то движение поступательное . Если траектории всех точек тела – дуги концентрических окружностей (окружностей с одним центром – точкой вращения), то движение вращательное.

Равновесие невращающихся тел : невращающееся тело находится в равновесии, если геометрическая сумма сил, приложенных к телу, равна нулю.

Равновесие тела, имеющего неподвижную ось вращения

Если линия действия силы, приложенной к телу, проходит через ось вращения тела, то эта сила уравновешивается силой упругости со стороны оси вращения.

Если линия действия силы не пересекает ось вращения, то эта сила не может быть уравновешена силой упругости со стороны оси вращения, и тело поворачивается вокруг оси.

Вращение тела вокруг оси под действием одной силы может быть остановлено действием второй силы. Опыт показывает, что если две силы по отдельности вызывают вращение тела в противоположных направлениях, то при их одновременном действии тело находится в равновесии, если выполняется условие:

, где d 1 иd 2 – кратчайшие расстояния от линий действия силF 1 иF 2. Расстояниеdназываетсяплечом силы , а произведение модуля силы на плечо –моментом силы :

Если моментам сил, вызывающим вращение тела вокруг оси по часовой стрелке, приписать положительный знак, а моментам сил, вызывающим вращение против часовой стрелки, – отрицательный знак, то условие равновесия тела, имеющего ось вращения, можно сформулировать в виде правила моментов: тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю:

За единицу вращающего момента в СИ принимается момент силы в 1 Н, линия действия которой находится на расстоянии 1 м от оси вращения. Эту единицу называют ньютон-метром .

Общее условие равновесия тела :тело находится в равновесии, если равны нулю геометрическая сумма всех приложенных к нему сил и алгебраическая сумма моментов этих сил относительно оси вращения .

При выполнении этого условия тело необязательно находится в покое. Оно может двигаться равномерно и прямолинейно или вращаться.

Пусть тело закреплено на неподвижной оси (п.1.4) и к нему приложена сила одним из двух способов:

1) линия действия проходит через ось вращения. будет уравновешена реакцией и тело находится в равновесии;

2) линия действия не проходит через ось вращения, что приводит к вращению тела.

Приложим к телу силу , вызывающую его вращение в противоположную сторону. При определённых условиях вращение может стать равномерным либо прекратится совсем. Из опытов известно, что это произойдет, если , где d 1 и d 2 – плечи сил и .

Плечо силы (d )относительно оси – кратчайшее расстояние от линии действия силы до этой оси.

Момент силы (М ) – произведение модуля силы на её плечо.

[М ] = 1 Нм

· В данном параграфе момент рассматривается как скалярная величина, а силы и их плечи лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

· Момент силы, вращающий тело по часовой стрелке, считают отрицательным, против – положительным.

Условие равновесия известно как правило моментов : тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к нему сил равна нулю.

Полное условие равновесия (для любых тел)

Тело находится в равновесии, если равнодействующая всех приложенных к нему сил равна нулю и сумма моментов этих сил относительно оси вращения также равна нулю.

Виды равновесия

1. Устойчивое равновесие – равновесие, при выходе из которого возникает сила , возвращающая тело в исходное положение.

2. Неустойчивое равновесие – равновесие, при выходе из которого возникает сила , ещё больше отклоняющая тело от исходного положения.

3. Безразличное равновесие – равновесие, при выходе из которого не возникает ни возвращающая, ни отклоняющая сила.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

Молекулярная физика – раздел физики, в котором явления изменения состояния тел и веществ объясняют с точки зрения внутреннего строения вещества.

Истоки молекулярной физики

Представления древних

Древние философские школы по-разному объясняли строение тел и веществ. Например, в Китае учёные полагали, что тела состоят из воды, огня, эфира, воздуха и др. Левкипп (V в. до н.э., Греция) и Демокрит (V в. до н.э., Греция) высказали идею о том, что:

1) все тела состоят из мельчайших частиц – атомов;

2) различия между телами определяются либо различием их атомов, либо различием в расположении атомов.

Развитие молекулярной физики

Большой вклад в науку внёс Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765, Россия). Он развил идею молекулярного (атомного) строения вещества и предположил, что:

1) частицы (молекулы) хаотически движутся;

2) скорость движения молекул связана с температурой вещества (чем выше температура, тем выше скорость);

3) должна существовать температура, при которой движение молекул прекращается.

Опыты, проведённые в XIX в., подтвердили правильность его идей.

Опыт Броуна

В 1827 г. ботаник Роберт Броун (1773–1858, Англия) поместил под микроскоп жидкость с мелкими твёрдыми частицами в ней и обнаружил, что:

1) частицы хаотически движутся;

2) чем меньше частица, тем сильнее заметно её движение;

Он пришёл к выводу, что толчки твёрдым частицам дают частицы жидкости при столкновениях. Работами многих учёных складывалось учение о строении и свойствах вещества – молекулярно-кинетическая теория (МКТ), основанное на представлениях о существовании молекул (атомов).

Основные положения МКТ

1) Вещества состоят из частиц: атомов и молекул;

2) частицы хаотически движутся;

3) частицы взаимодействуют друг с другом.

На основе этих положений были объяснены явления: упругость газов, жидкостей и твёрдых тел; переход вещества из одного агрегатного состояния в другое; расширение газов; диффузия и др.

Агрегатное состояние (термодинамическая фаза) – одно из трёх состояний вещества (твёрдое, жидкое, газообразное).

Диффузия – самопроизвольное смешивание веществ.

Определение

Равновесием тела называют такое состояние, когда любое ускорение тела равняется нулю, то есть все действия на тело сил и моментов сил уравновешены. При этом тело может:

находиться в состоянии спокойствия;
двигаться равномерно и прямолинейно;
равномерно вращаться вокруг оси, которая проходит через центр его тяжести.

Условия равновесия тела

Если тело находится в равновесии, то одновременно выполняются два условия.

Векторная сумма всех сил, действующих на тело, равна нулевому вектору : $\sum_n{{\overrightarrow{F}}_n}=\overrightarrow{0}$
Алгебраическая сумма всех моментов сил, действующих на тело, равна нулю: $\sum_n{M_n}=0$

Два условия равновесия являются необходимыми, но не являются достаточными. Приведем пример. Рассмотрим равномерно катящееся без проскальзывания колесо по горизонтальной поверхности. Оба условия равновесия выполняются, однако тело движется.

Рассмотрим случай, когда тело не вращается. Для того, чтобы тело не вращалось и находилось в равновесии, необходимо, чтобы сумма проекций всех сил на произвольную ось равнялась нулю, то есть равнодействующая сил. Тогда тело или находится в спокойствии, или двигается равномерно и прямолинейно.

Тело, которое имеет ось вращения, будет находиться в равновесном состоянии, если выполняется правило моментов сил: сумма моментов сил, которые вращают тело по часовой стрелке, должна равняться сумме моментов сил, которые вращают его против часовой стрелки.

Чтобы получить нужный момент при наименьшем усилии, нужно прикладывать силу как можно дальше от оси вращения, увеличивая тем же плечо силы и соответственно уменьшая значение силы. Примеры тел, которые имеют ось вращения, : рычаг, двери, блоки, коловорот и тому подобное.

Три вида равновесия тел, которые имеют точку опоры

стойкое равновесие, если тело, будучи выведенным из положения равновесия в соседнее ближайшее положение и оставлено в спокойствии, вернется в это положение;
неустойчивое равновесие, если тело, будучи выведенным из положения равновесия в соседнее положение и оставлено в спокойствии, будет еще больше отклоняться от этого положения;
безразличное равновесие - если тело, будучи выведенным в соседнее положение и оставлено в спокойствии, останется в новом своем положении.

Равновесие тела с закрепленной осью вращения

стойким, если в положении равновесия центр тяжести С занимает самое низкое положение из всех возможных ближних положений, а его потенциальная энергия будет иметь наименьшее значение из всех возможных значений в соседних положениях;
неустойчивым, если центр тяжести С занимает наивысший из всех ближних положений, а потенциальная энергия имеет наибольшее значение;
безразличным, если центр тяжести тела С во всех ближних возможных положениях находится на одном уровне, а потенциальная энергия при переходе тела, не изменяется.

Задача 1

Тело A массой m = 8 кг поставлено на шероховатую горизонтальную поверхность стола. К телу привязана нить, перекинутая через блок B (рисунок 1, а). Какой груз F можно подвязать к концу нити, свешивающейся с блока, чтобы не нарушить равновесия тела A? Коэффициент трения f = 0,4; трением на блоке пренебречь.

Определим вес тела ~A: ~G = mg = 8$\cdot $9,81 = 78,5 Н.

Считаем, что все силы приложены к телу A. Когда тело поставлено на горизонтальную поверхность, то на него действуют только две силы: вес G и противоположно направленная реакция опоры RA (рис. 1, б).

Если же приложить некоторую силу F, действующую вдоль горизонтальной поверхности, то реакция RA, уравновешивающая силы G и F, начнет отклоняться от вертикали, но тело A будет находиться в равновесии до тех пор, пока модуль силы F не превысит максимального значения силы трения Rf max, соответствующей предельному значению угла ${\mathbf \varphi }$o(рис. 1, в).

Разложив реакцию RA на две составляющие Rf max и Rn, получаем систему четырех сил, приложенных к одной точке (рис. 1, г). Спроецировав эту систему сил на оси x и y, получим два уравнения равновесия:

${\mathbf \Sigma }Fkx = 0, F - Rf max = 0$;

${\mathbf \Sigma }Fky = 0, Rn - G = 0$.

Решаем полученную систему уравнений: F = Rf max, но Rf max = f$\cdot $ Rn, а Rn = G, поэтому F = f$\cdot $ G = 0,4$\cdot $ 78,5 = 31,4 Н; m = F/g = 31,4/9,81 = 3,2 кг.

Ответ: Масса груза т = 3,2 кг

Задача 2

Система тел, изображённая на рис.2, находится в состоянии равновесия. Масса груза тг=6 кг. Угол между векторами $\widehat{{\overrightarrow{F}}_1{\overrightarrow{F}}_2}=60{}^\circ $. $\left|{\overrightarrow{F}}_1\right|=\left|{\overrightarrow{F}}_2\right|=F$. Найти массу гирь.

Равнодействующая сил ${\overrightarrow{F}}_1и\ {\overrightarrow{F}}_2$ равна по модулю весу груза и противоположна ему по направлению: $\overrightarrow{R}={\overrightarrow{F}}_1+{\overrightarrow{F}}_2=\ -m\overrightarrow{g}$. По теореме косинусов, ${\left|\overrightarrow{R}\right|}^2={\left|{\overrightarrow{F}}_1\right|}^2+{\left|{\overrightarrow{F}}_2\right|}^2+2\left|{\overrightarrow{F}}_1\right|\left|{\overrightarrow{F}}_2\right|{cos \widehat{{\overrightarrow{F}}_1{\overrightarrow{F}}_2}\ }$.

Отсюда ${\left(mg\right)}^2=$; $F=\frac{mg}{\sqrt{2\left(1+{cos 60{}^\circ \ }\right)}}$;

Поскольку блоки подвижные, то $m_г=\frac{2F}{g}=\frac{2m}{\sqrt{2\left(1+\frac{1}{2}\right)}}=\frac{2\cdot 6}{\sqrt{3}}=6,93\ кг\ $

Ответ: масса каждой из гирь равна 6,93 кг