Простые механизмы: рычаг, равновесие сил на рычаге. Простые механизмы

"Я Землю бы мог повернуть рычагом, лишь дайте мне точку опоры”

Архимед

Рычаг - один из наиболее распространенных и простых типов механизмов в мире, присутствующий как в природе, так и в созданном человеком мире. Рычагом называют твердое тело, которое может вращаться вокруг некоторой оси. Рычаг - это необязательно длинный и тонкий предмет.

Тело человека как рычаг

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами, например, у человека – кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев.

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.

Возьмите ручку, пишите что-нибудь или рисуйте и наблюдайте за ручкой и движением пальцев. Скоро вы обнаружите, что ручка – это рычаг. Найдите точку опоры, оцените плечи и убедитесь, что и в этом случае вы проигрываете в силе, но выигрываете в скорости и расстоянии. Собственно при письме сила трения грифеля о бумагу невелика, так что мышцы пальцев не слишком напрягаются. Но есть такие виды работ, когда пальцы должны работать во всю, преодолевая значительные силы, и при этом совершать движения исключительной точности: пальцы хирурга, музыканта.

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 4-6 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.

В растениях рычажные элементы встречаются реже, что объясняется малой подвижностью растительного организма. Типичный рычаг – ствол дерева и корни. Глубоко уходящий в землю корень сосны или дуба оказывают огромное сопротивление, поэтому сосны и дубы почти никогда не выворачиваются с корнем. Наоборот, ели, имеющие часто поверхностную корневую систему, опрокидываются очень легко.

«Колющие орудия» многих животных и растений – когти, рога, зубы и колючки – по форме напоминают клин (видоизменённая наклонная плоскость); клину подобна и заострённая форма головы быстроходных рыб. Многие из этих клиньев имеют очень гладкие твёрдые поверхности, чем и достигается их большая острота.

Рычаги в технике

Естественно, рычаги так же повсеместно распространены и в технике.

Простой механизм "рычаг" имеет две разновидности: блок и ворот .

При помощи рычага можно маленькой силой уравновесить большую силу. Рассмотрим, например, подъем ведра из колодца. Рычагом является колодезный ворот - бревно с прикрепленной к нему изогнутой ручкой, или колесом.

Ось вращения ворота проходит сквозь бревно. Меньшей силой служит сила руки человека, а большей силой - сила, с которой ведро и свисающая часть цепи тянет вниз

Еще до нашей Эры люди начали применять рычаги в строительном деле. Например, на рисунке вы видите использование рычага при постройке здания. О том, что рычаги, блоки и прессы позволяют получить выигрыш в силе, мы уже знаем. Однако "даром" ли дается такой выигрыш?

При пользовании рычагом более длинный его конец проходит больший путь. Таким образом, получив выигрыш в силе, мы получаем проигрыш в расстоянии. Это значит, что, поднимая маленькой силой груз большого веса, мы вынуждены совершать большое перемещение.

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.

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.

Простой механизм «наклонная плоскость» и её две разновидности – клин и винт

Наклонная плоскость применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия.Если нужно поднять груз на высоту, всегда легче воспользоваться пологим подъемом, чем крутым. Причем, чем положе уклон, тем легче выполнить эту работу.

Тело на наклонной плоскости удерживается силой, которая... по величине во столько раз меньше веса этого тела, во сколько раз длина наклонной плоскости больше ее высоты.

Клин, вбиваемый в полено, действует на него сверху вниз. При этом он раздвигает образующиеся половинки влево и вправо. То есть клин изменяет направление действия силы.

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.

Кроме того, сила, с которой он раздвигает половинки бревна, гораздо больше силы, с которой молот воздействует на клин. Следовательно, клин изменяет и числовое значение приложенной силы.

Деревообрабатывающие и садовые инструменты представляли клин – это струг, тесла, скобели, лопата, мотыга. Землю обрабатывали сохой, бороной. Убирали урожай с помощью граблей, кос, серпов.

Винт – это вид наклонной плоскости. С его помощью можно получить значительный выигрыш в силе.

Поворачивая гайку, надетую на болт, мы поднимаем её по наклонной плоскости и выигрываем в силе.

Поворачивая рукоятку штопора по часовой стрелке, мы вызываем продвижение винта штопора вниз. Происходит преобразование движения: вращательное движение штопора приводит к его поступательному движению.

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.

Кости, соединённые суставами, при сокращении мышц действуют как рычаги. В биомеханике выделяют рычаги:

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:

• 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.

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.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока: изучить самый простой и распространенный простой механизм – рычаг.

Задачи урока:

• Обучающая : выяснить, что представляет собой рычаг, выяснить условие равновесия рычага, научить применять правило равновесия рычага.
• Воспитательная : воспитывать познавательный интерес к новым знаниям, создавать условия для проявления желания самостоятельного поиска новых знаний.
• Развивающая : продолжить развитие умений и навыков анализировать знания и делать выводы, развитие внимания, наблюдательности через смену учебной деятельности.
• ввести понятие «простые механизмы», выяснить условие равновесия рычага.

Оборудование: компьютер, проектор, презентация PowerPoint, рычаг-линейка, набор грузов, ножницы, рычажные весы, неподвижный блок, карточки-задания.

ХОД УРОКА

I. Актуализация опорных знаний

Повторение изученного материала. Учащимся предлагается выполнить тест по теме: «Механическая работа. Мощность».

II. Изучение нового материала

Демонстрация: ножницы, рычажные весы, неподвижный блок, рычаг-линейка.
Подведение к изучению новой темы. Учащимся задается проблемный вопрос: Что объединяет эти устройства и приспособления? (Выслушиваются мнения учащихся). Попробуем выяснить это.

1. Простые механизмы(слайд 1)

Физические возможности человека ограничены, поэтому с давних времен он использовал устройства, которые были способны преобразовывать силу человека в значительно большую силу. Такие устройства – простые механизмы использовали еще 3 тыс. лет назад при строительстве пирамид в Др.Египте (слайд 2).

Записываем тему урока.

Простые механизмы – приспособления, служащие для преобразования силы.
Виды простых механизмов: рычаг (блок, ворот); наклонная плоскость (клин, винт)
Назначение – получить выигрыш в силе (слайд 3).

– Сегодня мы познакомимся с одним из видов простых механизмов – рычагом.

Цель: выяснить, что представляет собой рычаг, каково его устройство и назначение (слайд 4).
Из жизненного опыта мы знаем, что человеку трудно поднять тяжелый предмет. Сила, которую он прикладывает, порой, недостаточна, чтобы преодолеть силу тяжести предмета. В этом может помочь нехитрое приспособление, например лом, или рычаг.

Демонстрация рычага.

Рычаг – твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.

Рассмотрим устройство рычага. Изобразим его графически и перечислим основные части (слайд 5):

О – точка опоры.
F 1 , F 2 – силы, действующие на рычаг.
l 1 – плечо силы F 1 .
l 2 – плечо силы F 2 .

Существует два вида рычагов : рычаг 1 рода, рычаг 2 рода (слайд 6).
Учащимся демонстрируются рисунки рычагов и задается проблемный вопрос: В чем разница между этими видами рычагов?
У рычагов первого рода неподвижная точка опоры располагается между линиями действия приложенных сил. У рычагов второго рода неподвижная точка опоры располагается по одну сторону линий действия приложенных сил.

Назначение рычага – получить выигрыш в силе.

3. Условие равновесия рычага

Демонстрационный опыт: с помощью рычага уравновесить силу 6Н силой 3Н. (вызывается ученик). Вывод: рычаг позволил получить выигрыш в силе в 2 раза.
В 3 веке до н.э. Архимед открыл правило, по которому находят выигрыш в силе. Сейчас мы установим это правило.

Демонстрационный эксперимент.

Будем уравновешивать рычаг, результаты измерений занесем в таблицу:

Учащиеся заполняют таблицу и выполняют расчеты: F 2 /F 1 , l 1 / l 2 . Затем анализируем полученные результаты по последним колонкам таблицы. Формулируем вывод проведенного эксперимента (слайд 7) и записываем правило :

Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил:

Из этого правила следует, что с помощью рычага меньшей силой можно уравновесить большую силу.

4. Применение рычагов

Рычаги нашли широкое применение в быту и технике. Правило равновесия рычага лежит в основе действия различных инструментов и устройств (слайд 8).
Я надеюсь, что теперь вы точно сможете ответить на вопрос, позвучавший в начале урока!

III. Закрепление

• Что представляет собой рычаг?
• В чем состоит правило равновесия рычага?
• Кто его установил?

Решение задач (слайд 9).

• Из правила равновесия рычага следует, что меньшей силой можно уравновесить при помощи рычага большую силу. По легенде, Архимед, осознав значение своего открытия, воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!». Объясните невозможность этого (слайд 10).
• Почему ножницы для резания металла имеют наиболее длинные рукоятки, чем ножницы, предназначенные для резания бумаги? (слайд 11)
• Почему дверную ручку прикрепляют не к середине двери, а к краю, притом наиболее удаленному от оси вращения? (слайд 12)
• Какой из рычагов будет находиться в равновесии? (слайд 13)
• № 750

При равновесии рычага на его меньшее плечо действует сила 300 Н, на большее – 20 Н. Длина меньшего плеча 5 см. Определите длину большего плеча (слайд 14).

IV. Домашнее задание (слайд 15)

Перышкин А.В. Физика. 7 класс: §55, 56, Упр. 30 (1)

V. Рефлексия

Подведение итогов урока. Продолжите фразы:

• Сегодня на уроке я узнал…
• Было интересно…
• Знания, которые я получил на уроке, пригодятся…

Список литературы:

1) Перышкин А.В. Физика. 7 класс
2) Лукашик В.И. Сборник задач по физике. 7-9 классы.
3) Марон А.Е. Физика. 7 класс: учебно-методическое пособие.

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.