«Первые шаги в науку»
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов №32 г.о.Самара
Секция: Физика
Тема: «Сила есть! Ума не надо?»
Абрамов Данила,
ученик 4 Б класса
МБОУ СОШ № 32
г.о. Самара
Руководитель работы
Зиберт Галина Ивановна,
учитель начальных классов
г.Самара, 2015
Оглавление
I . Введение ……………………………………………………………………..3
II . Основная часть. Рычаг и его разновидности……………………………...5
Из истории рычага ………………………………..………………….….5
Архимед – механик……………………………………………….….….6
Что такое рычаг……………………………………………………….….7
Разновидности рычага …………………………………………………..9
III . Практическая часть…………………………………………………..…..11
3.1 Рычаги в технике и быту ……………………………………………...….11
3.2. Лабораторная работа на тему
«Выяснение условий равновесия рычага» ……………………...…….12
3.3. Эксперименты в домашних условиях …………………………………13
3.4. Изготовление устройств и моделей, работающих по принципу
рычага ……………………………………………….…………………...15
IV . Заключение …………………………….…………………………..….….17
Литература ……………………………………………..………………….…..18
Приложения……………………………………………………………………...19
Введение
Однажды мы всей семьей поехали на машине в лес. Все было просто замечательно, если бы не начавшийся дождь. Он заставил нас вернуться и поехать домой. И, конечно же, на размокшей от дождя дороге мы застряли. Все попытки вытолкать машину были напрасны… И тогда мой папа сказал: «Вот бы нам сейчас, сынок, на помощь силача какого-нибудь!». Но силачей и богатырей поблизости не оказалось, а подъехал трактор. Он размотал лебедку, привязал трос к нашей машине и за 5 минут вытащил ее.
Я всегда очень хотел быть сильным, настоящим помощником и быть похожим на русских богатырей - добрых, честных, сильных и ловких. Но тут я задал себе вопрос: «Каким же образом некоторые люди могут выполнять такие, казалось бы, непосильные для простого человека задачи?»
Я выдвинул гипотезу - скорее всего, существуют механизмы, которые помогают человеку стать сильнее. (См. слайд 1) .
Цель исследования : выяснить принцип работы простейших механизмов. (См. слайд 1) .
В поисках ответа я обратился к науке физике. Я узнал, что сила самого человека ограничена, поэтому он часто применяет устройства, позволяющие увеличить силу его действия. Такие устройства называют простыми механизмами. К ним относятся: рычаг и его разновидности – блок и ворот; наклонная плоскость и её разновидности - клин и винт.
Задачи :
1. узнать о происхождении и видах рычага;
2. провести опыты с рычагом;
3. с помощью взрослых смоделировать устройства, работающие по принципу рычага;
4. подготовить электронную презентацию по результатам исследования. (См. слайд 1) .
Объект: рычаг.
Предмет: применение рычагов в жизни людей.
Методы : поиск информации в литературе и Интернете, наблюдение, описание и измерение, опытно - экспериментальная работа, моделирование.
II . Рычаг и его разновидности.
«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»
Архимед
Из истории рычага.
Человек – существо разумное. Именно разум всегда давал ему возможность создавать приспособления, делавшие его сильнее или быстрее зверя, жить в условиях, в которых он без этих вещей не мог бы выжить.
Одним из первых таких приспособлений стал рычаг. Ещё первобытный человек превратил обычный шест в инструмент для поднятия тяжестей. Подсунув длинную палку под камень и оперев ее на кусок деревяшки, которая служила опорой, можно было без проблем переместить камень в другое место. Чем длиннее шест, тем легче работать. Изобретение рычага продвинуло первобытного человека по пути его развития.
Мотыга и весло были изобретены человеком для уменьшения силы, которую необходимо было прикладывать для выполнения какой - либо работы. (См. слайд 1) .
В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия.
Без рычага было бы невозможно поднять тяжёлые каменные плиты при постройке пирамид в Древнем Египте. Для возведения пирамиды Хеопса, имеющей высоту 147 м, было использовано 2300000 каменных глыб, самая меньшая из которых имела массу 2,5 т.
Около 1500 года до нашей эры в Египте и Индии появляется шадуф – прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой. В России так же использовалось подобное устройство для поднятия воды из колодца и называлось оно «Журавль».
Таким образом, мы не знаем ни имени автора рычага, ни точной даты его изобретения. Но с полной уверенностью можем утверждать, что древние люди без математических правил и законов физики придумали и широко использовали простые механизмы, опираясь на свою интуицию и опыт.
2.2 Архимед - механик.
Рычаг, блок, наклонная плоскость заинтересовали ученого Архимеда, проживавшего в Древней Греции во времена античности. В III веке до н. э. Архимед дал первое письменное объяснение принципу работы рычага, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит как: «Рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно порпорциональны плечам этих сил» . Архимед изложил полную теорию рычага и успешно применял ее на практике. Плутарх сообщает, что Архимед построил в порту Сиракуз немало блочно-рычажных механизмов для облегчения подъёма и транспортировки тяжёлых грузов. Изобретённый им архимедов винт (шнек) для вычерпывания воды до сих пор применяется в Египте. Архимед является и первым теоретиком механики. Он начинает свою книгу «О равновесии плоских фигур» с доказательства закона рычага. (См. слайд 1) .
Легенда рассказывает, что построенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею тяжёлый многопалубный корабль «Сиракузия» никак не удавалось спустить на воду. Архимед соорудил систему блоков (полиспаст), с помощью которой он смог проделать эту работу одним движением руки. По легенде, Архимед заявил при этом: «Будь в моём распоряжении другая Земля, на которую можно было бы встать, я сдвинул бы с места нашу» (в другом варианте: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир»). (См. слайд 1) .
Инженерный гений Архимеда с особой силой проявился во время осады Сиракуз римлянами в 212 году до н. э. в ходе Второй Пунической войны. А ведь в это время ему было уже 75 лет! Архимед создал метательные машины, способные бросать с большой скоростью камни массой около 250 кг и механизмы, бросающие с берега на суда тяжёлые брёвна. В последние годы были проведены несколько экспериментов с целью проверки правдивости описания этого «сверхоружия древности». Построенная конструкция показала свою полную работоспособность.
Так называемая «Лапа Архимеда» представляла собой уникальную подъемную машину - прообраз современного крана. Это был огромный рычаг, выступающий за городскую стену и оснащённый противовесом. (См. слайд 1) .
Знаменитый историк древности Полибий писал, что если римский корабль пытался пристать к берегу возле Сиракуз, эта машина, управляемая специально обученным человеком, захватывала нос корабля и переворачивала его. Римляне вынуждены были отказаться от мысли взять город штурмом и перешли к осаде. Полибий писал: «Такова чудесная сила одного человека, одного дарования, умело направленного на какое-либо дело… римляне могли бы быстро овладеть городом, если бы кто-либо изъял из среды сиракузян одного старца».
Оценивая роль Архимеда – механика, хочется отметить, что он произвел соответствующие расчеты и сконструировал более сложные механизмы, которые могли усиливать и преобразовывать движения. Благодаря Архимеду человечество научилось спускать на воду большие корабли, строить боевые машины.
2.3 Что такое рычаг.
И все-таки сила человека ограничена, поэтому он часто применяет устройства (или приспособления), позволяющие преобразовать силу человека в силу, существенно большую. Тяжёлый предмет (камень, шкаф, станок), который невозможно передвинуть непосредственно, сдвигают с места при помощи достаточно длинной и прочной палки – рычага.
Рычаг представляет собой твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры. У рычага есть два плеча. Плечо - это расстояние от точки опоры до точки приложения силы. В качестве рычага могут быть использованы лом, доска и тому подобные предметы. Существуют закономерности: (См. слайд 1) .
1)чем длиннее плечо, тем меньше нужно силы, чтобы поднять один и тот же груз;
2) чем длиннее плечо, тем больший путь оно проходит;
3) во сколько раз больше плечо рычага, во столько раз меньше должен быть груз для поддержания равновесия.
Данные закономерности мне удалось сформулировать на языке, понятном ученикам начальной школы, т.к. мы не знакомы ещё с обратной пропорциональностью и свойствами пропорций. А наглядно убедиться в справедливости закономерностей помогла самодельная лабораторная установка – рычаг, выполненная из конструктора «Лего».
Различают два вида рычагов.
У рычага 1-го рода неподвижная точка опоры О располагается между линиями действия приложенных сил, а у рычага 2-го рода она располагается по одну сторону от них. (См. слайд 1) .
Использование рычага позволяет получить выигрыш в силе. Для расчета выигрыша в силе, получаемого с помощью рычага, следует знать правило, открытое Архимедом еще в III в. до н. э.
Итак, для того чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы .
С тех пор как Архимед установил правило рычага, оно просуществовало в первозданном виде почти 1900 лет.
Таким образом, в большинстве случаев рычаг применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, т.е. увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.
2. 4.Разновидности рычага
Разновидностями рычага являются два простых механизма: блок и ворот. (См. слайд 1) .
Блок представляет собой устройство, имеющее форму колеса с желобом, по которому пропускают веревку, трос или цепь.
Различают два основных вида блоков - подвижный и неподвижный. (См. слайд 1) .
У неподвижного блока ось закреплена и при подъеме грузов не поднимается и не опускается, а у подвижного блока ось перемещается вместе с грузом. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе. Его применяют для того, чтобы изменить направление действия силы. Так, например, прикладывая к веревке, перекинутой через такой блок, силу, направленную вниз, мы заставляем груз подниматься вверх.
Иначе обстоит дело с подвижным блоком. Этот блок позволяет небольшой силой уравновесить силу, в 2 раза большую.
На практике часто применяют комбинацию подвижного блока с неподвижным. Это позволяет изменить направление силового воздействия с одновременным двукратным выигрышем в силе.
Для получения большего выигрыша в силе применяют грузоподъемный механизм, называемый полиспастом . Греческое слово «полиспаст» образовано из двух корней: «поли» - много и «спао» - тяну, так что в целом получается «многотяг». (См. слайд 1) .
Полиспаст представляет собой комбинацию из двух обойм, одна из которых состоит из трех неподвижных блоков, а другая - из трех подвижных блоков. Поскольку каждый из подвижных блоков удваивает силу тяги, то в целом полиспаст дает шестикратный выигрыш в силе.
Ворот состоит из цилиндра (барабана) и прикрепленной к нему рукоятки. Этот простой механизм был изобретен в глубокой древности. Чаще всего его применяли для подъема воды из колодцев. (См. слайд 1) .
Более совершенным механизмом является лебёдка. Она представляет собой сочетание ворота с двумя зубчатыми колёсами разного диаметра. Лебедку можно рассматривать как комбинацию двух воротов. (См. слайд 1) .
Многовековая практика доказала, что ни один из механизмов не даёт выигрыша в работе. Применяют же их для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или пути. Уже древним учёным было известно правило : во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики. Его автором является древнегреческий учёный Герон Александрийский, живший в I веке н.э. (См. слайд 1) .
III . Практическая часть.
Изучив теоретический материал об истории рычага, о его первооткрывателе, о принципе действия и разновидностях я решил провести исследования.
3.1. Рычаги в технике и в быту.
В нашем современном мире рычаги находят широкое применение как в природе, так и в рукотворном мире, созданном человеком. Практически любой механизм, преобразующий механическое движение, в том или ином виде использует рычаги.
Рычаги встречаются в разных частях тела человека и животных. Это, например, конечности, челюсти. Много рычагов можно увидеть в теле насекомых и птиц.
Рычаги так же распространены и в быту, это и водопроводный кран, и дверь, и различные кухонные приборы. (См. слайд 1) .
Правило рычага лежит в основе действия рычажных весов, различного рода инструментов и устройств, применяемых там, где требуется выигрыш в силе или в расстоянии. (См. слайд 1) .
Выигрыш в силе и в расстоянии мы можем наблюдать при работе с ножницами. Ножницы - это рычаг, ось вращения которого проходит через винт, соединяющий обе половины ножниц. В зависимости от назначения ножниц их устройство бывает различным. Ножницы, предназначенные для резки бумаги, имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки. Для резки бумаги не требуется большой силы, а длинным лезвием удобнее резать по прямой линии. В данном случае мы имеем выигрыш в расстоянии. Ножницы для резки листового металла имеют ручки гораздо длиннее лезвий, так как сила сопротивления металла велика и для ее уравновешивания плечо действующей силы приходится значительно увеличивать. Еще больше разница между длиной ручек и расстоянием режущей части и оси вращения в кусачках, предназначенных для перекусывания проволоки. Очевидно, что в этих случаях имеет место выигрыш в силе. (См. слайд 1) .
Рычаги используются и в других инструментах - это рукоятки тисков и верстаков, рычаги станков, плотницкие инструменты, инструменты спасателей и т. д. (См. слайд 1) .
Конечно же, рычаги различного вида распространены в технике. Самые простые примеры их применения – это рычаг переключения коробки передач в автомобиле , педали автомобиля или трактора, ручной тормоз велосипеда. (См. слайд 1) .
Даже ручка швейной машины и клавиши пианино – это тоже рычаги. (См. слайд 1) .
Все мы любим спорт! И если внимательно посмотреть, то мы увидим, что в этой области также применяются рычаги. Прыжки в высоту с шестом очень наглядный пример, п ри помощи рычага длинной около трех метров и правильного приложения усилия, спортсмен взлетает на головокружительную высоту до шести метров. Кроме этого, рычагами снабжены многие спортивные снаряды. (См. слайд 1) .
На любой строительной площадке работают экскаваторы и башенные подъемные краны - это сочетание рычагов, блоков, воротов. В зависимости от "специальности" краны имеют различные конструкции и характеристики. (См. слайд 1) .
Широкое применение рычаги нашли и в сельском хозяйстве – трактора, комбайны, сеялки и другие механизмы. (См. слайд 1) .
Итак, в большинстве случаев простые механизмы (греч. "механэ" - машина, орудие) применяют для того чтобы получить выигрыш в силе.
3.2. Лабораторная работа
Оборудование : рычаг на штативе, набор грузов, линейка.
Цель : выяснить условия равновесия рычага.
Ход работы.
1. Путем вращения гаек на концах рычага уравновесил его так, чтобы он расположился горизонтально.
2. Подвесил три груза к левому плечу рычага на расстоянии 7 см от оси вращения.
3. Путем проб установил место на правом плече рычага, к которому следует подвесить один груз, чтобы уравновесить три предыдущих. Измерил расстояние от этого места до оси вращения.
4. Считая, что каждый груз весит 1 Н, заполнил таблицу.
5. Сделал вывод о справедливости правила равновесия рычага.
(См. слайд 1) .
F2l2 : l1
7 см
3H
21 см
1H
10 см
2H
20 см
1H
9 см
4Н
18 см
2Н
3.3.Эксперименты в домашних условиях.
Пользуясь книгой Я.И. Перельмана «Занимательная физика» и материалами Интернет – сайтов «Класс!ная физика» и «Физика вокруг нас» провёл занимательные эксперименты с рычагами.
1. Машинки. (См. слайд 1) .
Я взял большую и маленькую игрушечные машинки. Поставил их на концы линейки, положенной серединой на круглый карандаш. Большая машинка перетянула, т.к. она тяжелее. Если сдвинуть карандаш поближе к большой машинке, то они уравновесятся. Когда я подвинул карандаш еще ближе к большой машинке, то маленькая перевесила.
2. Сколько силы в пальцах?
Я взял две круглые зубочистки. Положил одну зубочистку серединой на средний палец (ближе к ногтю), а на концы - указательный и безымянный. Попытался сломать зубочистку, надавив на нее указательным и безымянным пальцами. Передвинул зубочистку на середину пальца. Снова попытался сломать зубочистку. Когда зубочистка находилась на кончиках пальцев, сломать ее было почти невозможно (пальцы выполнили роль рычага второго рода, похожего на щипцы для колки орехов). Точка опоры находится там, где начинаются пальцы. Чем дальше от точки опоры находится зубочистка, тем больше силы нужно приложить. ?????
3. Полиспаст.
Привязал веревку к ручке лыжной палки. Поместил обе палки на расстояние 50 см друг от друга и три раза обернул их ручки веревкой. Потянул свободный конец веревки, в то время как мои помощники пытались разъединить палки. Несмотря на то, что друзья пытаются развести палки в стороны, я в одиночку могу сдвинуть их вместе. (Палки и веревка ведут себя, как полиспаст - приложенная мной сила приумножается благодаря веревке, намотанной на ручки палок, поэтому я выигрываю в силе почти в пять раз по сравнению с моими помощниками.
4. Рычаг. (См. слайд 1) .
Обыкновенная палка стала для человека рычагом - самым простым механизмом. На обычной палке очень удобно вдвоем переносить груз. Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.
Опыт 1. Я взял не очень длинную палку, просунул ее под ручку чемодана и, пригласив на помощь товарища, мы приподняли вдвоем чемодан. Если чемодан находится точно посередине, то каждый из нас нагружен одинаково. Когда мы сдвинули чемодан к одному из концов палки, всё изменилось. Более легким груз стал для того, кто держит длинный конец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении. Руки каждого из нас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.
Опыт 2 . Я взял небольшую палку и около одного из ее концов сбоку вбил гвоздь. Надел на этот конец утюг (гвоздь нужен для того, чтобы утюг не соскользнул на пол) и положил рычаг на спинку стула. Держа рычаг за свободный конец, двигал его, то приближая точку опоры к грузу, то удаляя от него. Я убедился, что, чем больше расстояние от руки до точки опоры, тем легче удержать груз. Тот же результат я получил, когда передвигал руку вдоль рычага к точке опоры, оставляя неизменным расстояние от опоры до груза.
5. Вытаскиваю гвоздь.
Используя молоток, я забил гвоздь в кусок древесины на 2/3 его длины. Попытался вытащить руками гвоздь из куска дерева. У меня ничего не получилось, как я ни старался. Тогда я взял гвоздодер и легко с его помощью вытащил гвоздь. Гвоздодер в моем случае действует как рычаг, который является простым аппаратом, используемый для преодоления сопротивления во второй точке, путем применения силы.
3.4. Изготовление устройств и моделей, работающих по принципу рычага.
Применив знания, полученные при изучении рычага, изготовил с помощью папы следующие устройства и модели.
1. Лебедка своими руками. (См. слайд 1) .
От плохой дороги никто не застрахован, и если ваш автомобиль крепко увяз в грязи, спасти его поможет только лебедка. Стоит ли тратить огромную сумму денег на дорогостоящую вещь и покупать ее в магазине, когда можно сделать лебедку своими руками.
Нам потребовалось:
Ось для вращения и 2 подходящие трубки большего и меньшего диаметра;
Крепкий трос;
Ход работы:
Наша лебедка, сделанная своими руками, работает по принципу рычага. Для основы самодельной лебедки может послужить отрезок трубы. Чтобы привести в работу трубу, ее необходимо надеть на ось и закрепить тросом. Петлю троса необходимо намотать несколько раз вокруг трубы и насадить на любую ручку.
При повороте ручки труба будет вращаться по оси, а трос наматываться на нее. Такая лебедка пригодится не только, чтобы вытаскивать автомобиль из грязи, но и для перемещения различных грузов, например, на даче.
2. Полиспаст. (См. слайд 1) .
Я взял прочный капроновый шнур, 2 отдельных блока, груз. Собрал комбинацию из 1 подвижного и 1 неподвижного блока и закрепил их. Теперь я могу поднимать без труда грузы, которые без полиспаста не мог просто удержать в руке.
Проведя опыт с динамометром, я убедился, что полиспаст дает двукратный выигрыш в силе!
IV . Заключение.
В результате проведенной работы я убедился в следующем правиле – во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии.
Я узнал об истории рычага, о его первооткрывателе, о принципе действия и разновидностях.
Рычаги разных видов встречаются в повседневной жизни на каждом шагу:
Тачку легче везти, если у нее длинные ручки;
Гвоздь выдернуть легче, если гвоздодер имеет большую длину;
Гайку завернуть значительно легче ключом с длинной рукояткой.
Никогда не стоит забывать о «золотом правиле» механики, который упрощенно выглядит так: выигрыш в силе - проигрыш в пути. Иной раз стоит пожертвовать более коротким путем, чтобы выиграть в силе. Работа все равно будет одна и та же, но сделать ее легче потому, что увеличению пути соответствует и увеличение времени. А за больший промежуток времени работу сделать легче - это ясно каждому.
При конструировании машин бывает и наоборот, когда жертвовать приходится силой, чтобы выиграть в пути, выиграть во времени.
В процессе работы над темой я на собственном опыте убедился, что рычаг и его разновидности действительно дают человеку выигрыш в силе или в расстоянии, или применяются для удобства. Таким образом подтвердил свою гипотезу, что не каждый силач обязательно силён. Теперь я становлюсь сильнее не только благодаря ежедневным физическим тренировкам, но и применяя новые полученные знания. Название моей работы ни в коем случае нельзя произносить с утвердительной интонацией. Наоборот, есть ум – будет и сила. Материалы моего исследования несомненно пригодятся на уроках окружающего мира в начальной школе, а может быть, и на уроках физики в 7-ом классе.
В заключение хочется вспомнить слова Ёжика из замечательной сказки Владимира Сутеева «Палочка – выручалочка»: «Палку всегда найти можно, а вот выручалочку, - а выручалочка-то вот она где!».
Литература
1. Балашов М.М. Физика. – М.: Просвещение, 1994.
2. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1988.
3. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1. – М.: Наука, 1979.
4. Физика. 7 класс/ Громов С.В., Родина Н.А. – М.: Просвещение, 2000.
5. Физика.7 класс/ Пёрышкин А.В., Родина Н.А. – М.:Дрофа, 2003.
6. Энциклопедия для детей. Т. 14 – Техника. – М.: Аваста+, 2000.
7. Я познаю мир. Детская энциклопедия – Мир прекрасного. – М.: Астрель, 2004.
Приложение
Фотоотчет
Лабораторная работа «Выяснение условий равновесия рычага»
Мои эксперименты http://vse-svoimiruchkami.ru/glavnaya/ )
Изготовление полиспаста
Городской тур межшкольной конференции
«Первые шаги в науку».
Название работы «Сила есть! Ума не надо?»
Ученик(ца) (фамилия, имя полностью) Абрамов Данила
МБОУ СОШ ________32__класс___________ 4 Б
Руководитель работы Зиберт Галина Ивановна
Тип работы (проект / реферат / исследование) исследование
Критерии оценивания работы
1) Соблюдение требований к оформлению работы. Все требования соблюдены .
2) Объем изученного материала: поиск информации в литературе и Интернете, наблюдение, описание и измерение, опытно - экспериментальная работа, моделирование.
3) Познавательная ценность, актуальность, практическая и теоретическая значимость изученного материала. В работе изучены происхождение и виды рычагов, проведены опыты с рычагом, смоделированы устройства, работающие по принципу рычага.
4) Проблема, гипотеза, цель, задачи работы. Гипотеза: скорее всего, существуют механизмы, которые помогают человеку стать сильнее. Цель: выяснить принцип работы простейших механизмов. Задачи: провести эксперименты с целью выявления свойств рычага и принципа его работы.
5) Исследовательское мастерство (аргументы, выводы; грамотность, логичность изложения материала, соблюдение научного стиля изложения) Работа составлена грамотно, соблюден научный стиль изложения, сделаны выводы по каждому опыту и по работе в целом.
Подпись рецензента (расшифровка подписи)
Уюкина Людмила Григорьевна
Рычаг представляет собой узкий стержень, который может вращаться вокруг одной точки, называющейся точкой опоры. Разместив перемещаемый предмет, называемый нагрузкой, на одном конце стержня и прикладывая усилие к другому концу, человек может переместить предмет с гораздо меньшими усилиями, чем если бы он поднял его и перенес на руках.
Рычаг работает по простой формуле: усилие, умноженное на его плечо (кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует сила), равно произведению нагрузки на ее плечо. Чем длиннее плечо усилия, тем больше его увеличение и тем легче перемещать нагрузку. Цена за эту выгоду следующая: чем длиннее плечо усилия, тем меньше расстояние, на которое переместится нагрузка.
Как показано на приведенных ниже иллюстрациях, все рычаги могут быть разделены на три класса, отличающиеся относительными положениями усилия, нагрузки и точки опоры.
Рычаги второго класса
У рычага второго класса точка опоры расположена на одном конце, усилие прикладывается к другому концу, а нагрузка (W) располагается между ними - так, как это показано на розовой диаграмме справа. Тачка, открывалка для бутылок, степлер и дырокол относятся к рычагам второго класса, которые всегда увеличивают приложенное усилие.
Рычаги третьего класса.
У рычага третьего класса усилие прикладывается между нагрузкой (W) и точкой опоры (желтая диаграмма). Показанный на рисунке внизу пинцет состоит из двух рычагов третьего класса, соединенных между собой в точке опоры. Метла обычно увеличивает расстояние, на которое перемещается нагрузка, и минимизирует требуемые усилия.
Рычаги первого класса
Наиболее распространенным типом рычага является рычаг первого класса, у которого точка опоры лежит между нагрузкой (W) и прикладываемым усилием (голубая диаграмма). Рычаги первого класса имеют много разновидностей, включая показанные на рисунках слева плоскогубцы, гвоздодер и ножницы.
Сила человека ограничена. Поэтому он часто применяет устройства (или приспособления), позволяющие преобразовать его силу в силу, существенно большую. Примером подобного приспособления является рычаг.
Рычаг представляет собой твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры. В качестве рычага могут быть использованы лом, доска и тому подобные предметы.
Различают два вида рычагов. У рычага 1-го рода неподвижная точка опоры O располагается между линиями действия приложенных сил (рис. 47), а у рычага 2-го рода она располагается по одну сторону от них (рис. 48). Использование рычага позволяет получить выигрыш в силе. Так, например, рабочий, изображенный на рисунке 47, прикладывая к рычагу силу 400 Н, сможет приподнять груз весом 800 Н. Разделив 800 Н на 400 Н, мы получим выигрыш в силе, равный 2.
Для расчета выигрыша в силе, получаемого с помощью рычага, следует знать правило, открытое Архимедом еще в III в. до н. э. Для установления этого правила проделаем опыт. Укрепим на штативе рычаг и по обе стороны от оси вращения прикрепим к нему грузы (рис. 49). Действующие на рычаг силы F 1
и F 2
будут равны весам этих грузов. Из опыта, изображенного на рисунке 49, видно, что если плечо одной силы (т. е. расстояние OA
) в 2 раза превышает плечо другой силы (расстояние OB
), то силой 2 Н можно уравновесить в 2 раза большую силу – 4 Н. 
Итак, для того чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы. Выигрыш в силе, получаемый с помощью рычага, определяется отношением плеч приложенных сил
. В этом состоит правило рычага
.
Обозначим плечи сил через l 1 и l 2 (рис. 50). Тогда правило рычага можно представить в виде следующей формулы:
Эта формула показывает, что рычаг находится в равновесии, если приложенные к нему силы обратно пропорциональны их плечам
.
Рычаг начал применяться людьми в глубокой древности. С его помощью удавалось поднимать тяжелые каменные плиты при постройке пирамид в Древнем Египте (рис. 51). Без рычага это было бы невозможно. Ведь, например, для возведения пирамиды Хеопса, имеющей высоту 147 м, было использовано более двух миллионов каменных глыб, самая меньшая из которых имела массу 2,5 т!
В наше время рычаги находят широкое применение как на производстве (например, подъемные краны), так и в быту (ножницы, кусачки, весы и т. д.).
1. Что представляет собой рычаг? 2. В чем заключается правило рычага? Кто его открыл? 3. Чем отличается рычаг 1-го рода от рычага 2-го рода? 4. Приведите примеры применения рычагов. 5. Рассмотрите рисунки 52, а и 52, б. В каком случае груз нести легче? Почему?
Экспериментальное задание.
Положите под середину линейки карандаш так, чтобы линейка находилась в равновесии. Не меняя взаимного расположения линейки и карандаша, уравновесьте иа полученном рычаге одну монету с одной стороны и стопку из трех таких же монет с другой стороны. Измерьте плечи приложенных (со стороны монет) сил и проверьте правило рычага.
Рычаг - один из наиболее распространенных и простых типов механизмов в мире, присутствующий как в природе, так и в рукотворном мире, созданном человеком.
Тело человека как рычаг
К примеру, скелет и опорно-двигательная система человека или любого животного состоит из десятков и сотен рычагов. Взглянем на локтевой сустав. Лучевая и плечевая кости соединятся вместе хрящом, к ним так же присоединяются мышцы бицепса и трицепса. Вот мы и получаем простейший механизм рычага .
Если вы держите в руке гантель весом в 3 кг, какое усилие при этом развивает ваша мышца? Место соединения кости и мышцы делит кость в соотношении 1 к 8, следовательно, мышца развивает усилие в 24 кг! Получается, мы сильнее самих себя. Но рычажная система нашего скелета не позволяет нам в полной мере использовать нашу силу.
Наглядный пример более удачного применения преимуществ рычага в скелетно-мышечной системе организма обратные задние колени у многих животных (все виды кошек, лошади, и т.д.).
Их кости длиннее наших, а особое устройство их задних ног позволяет им гораздо эффективнее использовать силу своих мышц. Да, несомненно, их мышцы гораздо сильнее чем у нас, но и вес их больше на порядок.
Средне-статистическая лошадь весит около 450 кг, и при этом может легко прыгнуть на высоту около двух метров. Нам же с вами, чтобы выполнить такой прыжок, надо быть мастерами спорта по прыжкам в высоту, хотя мы весим в 8-9 раз меньше, чем лошадь.
Раз уж мы вспомнили о прыжках в высоту, рассмотрим варианты применения рычага, которые придуман человеком. Прыжки в высоту с шестом очень наглядный пример.
При помощи рычага длинной около трех метров (длинна шеста для прыжков в высоту около пяти метров, следовательно, длинное плечо рычага, начинающееся в месте перегиба шеста в момент прыжка, составляет около трех метров) и правильного приложения усилия, спортсмен взлетает на головокружительную высоту до шести метров.
Рычаг в быту
Рычаги так же распространены и в быту. Вам было бы гораздо сложнее открыть туго завинченный водопроводный кран, если бы у него не было ручки в 3-5 см, которая представляет собой маленький, но очень эффективный рычаг.
То же самое относится к гаечному ключу, которым вы откручиваете или закручиваете болт или гайку. Чем длиннее ключ, тем легче вам будет открутить эту гайку, или наоборот, тем туже вы сможете её затянуть.
При работе с особо крупными и тяжелыми болтами и гайками, например при ремонте различных механизмов, автомобилей, станков, используют гаечные ключи с рукояткой до метра.
Другой яркий пример рычага в повседневной жизни самая обычная дверь. Попробуйте открыть дверь, толкая её возле крепления петель. Дверь будет поддаваться очень тяжело. Но чем дальше от дверных петель будет располагаться точка приложения усилия, тем легче вам будет открыть дверь.
Рычаги в технике
Естественно, рычаги так же повсеместно распространены и в технике. Самый очевидный пример рычаг переключения коробки передач в автомобиле. Короткое плечо рычага та его часть, что вы видите в салоне.
Длинное плечо рычага скрыто под днищем автомобиля, и длиннее короткого примерно в два раза. Когда вы переставляете рычаг из одного положения в другое, длинное плечо в коробке передач переключает соответствующие механизмы.
Здесь так же очень наглядно можно увидеть, как длина плеча рычага, диапазон его хода и сила, необходимая для его сдвига, соотносятся друг с другом.
Например, в спортивных автомобилях, для более быстрого переключения передач, рычаг обычно устанавливают короткий, и диапазон его хода так же делают коротким.
Однако, в этом случае водителю необходимо прилагать больше усилий, чтобы переключить передачу. Напротив, в большегрузных автомобилях, где механизмы сами по себе тяжелее, рычаг делают длиннее, и диапазон его хода так же длиннее, чем в легковом автомобиле.
Таким образом, мы можем убедиться в том, что механизм рычага очень широко распространен как в природе, так и в нашем повседневном быту, и в различных механизмах.
Нужна помощь в учебе?
Предыдущая тема: Момент силы: правило и применениеСледующая тема: Приложение закона равновесия рычага к блоку: золотое правило механики
Кости, соединённые суставами, при сокращении мышц действуют как рычаги. В биомеханике выделяют рычаги:
первый вид – рычаг силы – если плечо приложения мышечной силы длиннее плеча сопротивления (силы тяжести); пример – стопа во время подъема на пальцы.
второй вид – рычаг скорости – плечо приложения мышечной силы короче, чем плечо сопротивления, где приложена силы тяжести, противодействующая; пример - локтевой сустав при сгибании.
рычаг первого рода или «рычаг равновесия», двуплечий – точки сопротивления и приложения мышечной силы находятся по разные стороны от точки опоры. примером является соединение позвоночника с черепом.
рычаг второго рода, одноплечий – обе силы прилагаются по одну сторону от точки опоры, на разном расстоянии от нее, различают два вида в зависимости от места расположения точки приложения силы и точки действия силы тяжести:
12 Фасции и клетчаточные пространства шеи.
Фасции шеи по В.Н.Шевкуненко:
Поверхностная фасция шеи (подкожная мышца).
Поверхностный листок собственной фасции шеи (грудино-ключично-сосцевидная и трапециевидная мышцы).
Глубокий листок собственной фасции шеи (грудино-щитовидная, грудино-подъязычная и лопаточно-подъязычная мышцы).
Внутришейная фасция (трахея, пищевод, щитовидная железа, сосудисто-нервный пучок) - париетальный листок, висцеральный листок.
Предпозвоночная фасция (передняя лестничная мышца).
13 Топография шеи (треугольники, предлестничное и межлестничное пространства).
Предлестничное пространство находится между краями грудино-щитовидной, грудино-подъязычной и передней лестничной мышцами, содержит впереди подключичную вену, а позади нее диафрагмальный нерв и подключичный лимфатический ствол.
Межлестничное пространство лежит между передней и средней лестничными мышцами, снизу ограничено I ребром; в нем находится впереди подключичная артерия и позади нее стволы плечевого сплетения (надключичная часть).
Передняя область или передний треугольник шеи ограничен по бокам передними краями грудино-ключично-сосцевидных мышц, вверху – подбородком, основанием и ветвями нижней челюсти, сосцевидными отростками, внизу – яремной вырезкой грудины.
Передняя срединная линия от подбородка до яремной вырезки делит область на медиальные треугольники : правый и левый. В каждом медиальном треугольнике различают вверху: поднижнечелюстной треугольник , ограниченный передним и задним брюшками двубрюшных мышц и нижней челюстью. В нем располагается поднижнечелюстная слюнная железа и маленький язычный треугольник, описанный Н. И. Пироговым в границах:
передней – задний край челюстно-подъязычной мышцы,
задней - нижний край заднего брюшка двубрюшной мышцы;
верхней – подъязычный нерв;
площадь треугольника занимает подъязычно-язычная мышца и лежащая под ней язычная артерия , для оперативного доступа к которой и был выделен Н.И. Пироговым данный треугольник.
Середину передней области составляет каротидный (сонный ) треугольник , образованный спереди и снизу верхним брюшком лопаточно-подъязычной мышцы, сверху – задним брюшком двубрюшной мышцы, а сзади – передним краем грудино-ключично-сосцевидной. В сонном треугольнике проходят внутренняя яремная вена, блуждающий нерв и общая сонная артерия , которая в его пределах делится на уровне верхнего края щитовидного хряща на наружную и внутреннюю. В нижней части треугольника общая сонная артерия прилежит к переднему бугорку поперечного отростка YI шейного позвонка и к нему (сонный бугорок) ее прижимают при прощупывании пульса и остановке кровотечения.
Нижнюю часть передней области занимает лопаточно-трахеальный треугольник в границах: верхнелатеральной – верхнее брюшко лопаточно-подъязычной мышцы, задненижней – край грудино-ключично-сосцевидной мышцы, медиальной - передняя срединная линия. В глубине треугольника лежат трахея и пищевод.
Грудино-ключично-сосцевидная область соответствует одноименной мышце и служит хорошим ориентиром между латеральным и медиальным треугольником. Передний край мышцы соответствует проекционной линии каротидной артерии, яремной внутренней вены и блуждающего нерва, расположенного между ними.
Латеральная область шеи имеет переднюю границу по заднему краю грудино-ключично-сосцевидной мышцы, заднюю по трапециевидной мышце, нижнюю – по ключице.
В ней находятся:
Лопаточно-трапециевидный треугольник, занимающий верхний отдел, располагается между краями трапециевидной, грудино-ключично-сосцевидной мышц (боковые стороны) и нижним брюшком лопаточно-подъязычной мышцы (нижняя сторона). В нем проецируется шейное сплетение и его короткие ветви.
Лопаточно-ключичный треугольник образован ключицей (нижняя сторона) и краями грудино-ключично-сосцевидной, лопаточно-подъязычной (нижнее брюшко) мышц. Внутри его – в лестничных промежутках - находится горизонтальный сосудисто-нервный пучок шеи в составе (спереди и назад) подключичных вены, артерии и стволов плечевого сплетения.
Задняя область шеи имеет верхнюю границу по верхней выйной линии, боковые границы – по передним краям трапециевидной мышцы, нижнюю – по линии акромион-остистый отросток YII шейного позвонка. Область занята многослойной задней мышечной группой, описанной выше. Под затылком в задней области находится подзатылочный треугольник, ограниченный задними прямыми и косыми мышцами головы.
