Блоки. Золотое правило механики

Блоки. Золотое правило механики

«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым,

пока ему не удастся связать воедино разрозненные

факты, им наблюдаемые»

Д. де Хевеши

Данная тема посвящена изучению блоков. А также рассмотрению «Золотого правила механики».

В прошлых темах говорилось о простых механизмах, таких как рычаг. Рычаг — это любое твердое тело, которое может поворачиваться относительно неподвижной опоры или оси.

Рычаги бывают двух видов – рычаг первого и рычаг второго рода. Рычаг первого рода — это рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону. Рычаг второго рода — это рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу.

Вывели условие равновесия рычага, согласно которому, рычаг находится в равновесии при условии, что приложенные к нему силы обратно пропорциональны длинам их плеч.

Рассмотрели момент силы — физическую величину, равную произведению модуля силы, вращающей тело, на ее плечо. И сформулировали условие равновесия рычага через правило моментов, согласно которому, рычаг под действием двух создающих моменты сил находится в равновесии в том случае, если момент силы, вращающей рычаг по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей рычаг против часовой стрелки.

Однако, помимо рычагов, нередко для подъема грузов используется и простой блок или система блоков. Особенно часто применяются блоки на стройплощадках, в портах и на складах. Любой блок представляет собой колесо с жёлобом, укрепленное в обойме. По жёлобу блока пропускают веревку, трос или цепь.

А какие бывают блоки? И как они преобразуют силу?

Если ось блока закреплена и при подъеме грузов она не опускается и не поднимается, то блок называется неподвижным. Такой блок можно рассматривать как равноплечный рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Дает ли такой блок выигрыш в силе? Поставим опыт. Возьмем груз весом 3 Н и подвесим к одному концу перекинутой через блок нити, а к другому прикрепим динамометр. При равномерном подъеме груза динамометр покажет силу, равную весу груза, т.е. 3 Н. Изобразим схематически силы, действующие на блок.

Это сила упругости нити, равная весу груза, сила упругости нити, равная приложенной к динамометру силе, сила тяжести, действующая на блок и сила упругости оси блока. Как видно из рисунка, плечи сил тяжести и упругости блока равны нулю. Значит и их моменты относительно оси равны нулю. Плечи сил упругости нити один и два равны между собой как радиусы блока. В состоянии равновесия блока моменты сил F₁ и F₂ должны быть равны. А раз равны моменты этих сил, то и сами силы равны между собой. Иными словами, прилагаемая сила равна весу груза. Таким образом, неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а лишь изменяет ее направление.

Зачем применять неподвижный блок, если выигрыша в силе нет? Ведь с таким же успехом для подъема груза можно было бы использовать любую перекладин. Можно, но проигрышно, так как придется преодолевать силу трения скольжения веревки по перекладине, которая значительно больше силы трения качения в подшипнике блока.

А может ли все-таки блок дать выигрыш в силе? Рассмотрим другой вид блока — подвижный блок. Подвижным называется блок, ось вращения которого при подъеме груза движется вместе с грузом.

Подвесим к такому блоку груз весом 6 Н. Один конец перекинутой через блок нити закрепим, а за другой будем равномерно поднимать груз при помощи динамометра. Динамометр показывает, что прилагаемая к концу веревки сила равна 3 Н, т. е. в два раза меньше веса груза. Следовательно, подвижный блок дает выигрыш в силе примерно в 2 раза. Почему?

На блок действуют вес груза, силы упругости нити, которые равны между собой, и сила тяжести блока. При этом, чаще всего, силой тяжести блока пренебрегают, так как она, как правило, намного меньше веса груза. При движении груза подвижный блок поворачивается относительно точки D. Следовательно, подвижный блок — это рычаг второго рода. Запишем условие равновесия для него через правило моментов. Из рисунка видно, что плечо веса груза равно радиусу блока, а плечо второй силы — двум радиусам блока.

С учетом того, что сила F₂ равна силе F, прилагаемой к концу веревки, и используя основное свойство пропорции, получим

Таким образом, можно сделать вывод о том, что подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза.

Теперь можно сделать главный вывод о том, что при использования простых механизмов, мы можем получить выигрыш в силе.

Встает логичный вопрос: А можно ли с помощью простого механизма получить выигрыш в работе? Если прилагаемая сила меньше веса груза, то будет ли совершенная ею работа меньше работы по подъему груза без использования механизма?

Поставим опыт. Будем поднимать равномерно груз на некоторую высоту с помощью подвижного блока (силой тяжести блока и силой трения пренебрегаем).

Работа силы, приложенной к нити, равна произведению приложенной к нити силы и высоты подъема ее точки приложения.

Как видно из рисунка, высота подъема точки приложения силы в два раза больше высоты подъема груза. Работа по подъему груза равна по модулю произведению веса груза и высоты подъема груза.

Теперь сравним две работы. При этом учтем, что сила, приложенная к концу веревки примерно в два раза меньше веса груза.

Принимая этот факт во внимание, получим, что работа по подъему груза равна работе приложенной к нити силы.

Таким образом, использование подвижного блока не дает выигрыша в работе. Так как, имеется выигрыш в 2 раза в силе и проигрыш в 2 раза в пути.

Аналогично можно подойти к рассмотрению рычага. Для этого на рычаге уравновешиваются 2 разные по модулю силы, и рычаг приводится в движение.

Если измерить расстояния, пройденные большей и меньшей силами, и модули этих сил, то получим, что пути, пройденные точками приложения сил на рычаге, обратно пропорциональны силам.

Таким образом, как и в случае с подвижным блоком, можем заключить, что действуя на длинное плечо рычага, выигрываем в силе, но при этом во столько же раз проигрываем в пути. Так как произведение силы на путь есть работа, то и в этом случае, выигрыш в работе не получается.

Как показала многовековая практика, ни один механизм не дает выигрыша в работе. Это утверждение получило название «Золотое правило механики». Если с помощью какого-либо простого механизма выигрываем в силе, то во столько же раз проигрываем в пути.

Можно ли при сравнении работ ставить между ними строгое равенство? Ведь делая тот или иной вывод, вводилось условие о том, что силой тяжести, действующей на блок, и силой трения в блоке можно пренебречь? Однако трение существует. Оно присутствует во всех механизмах. И сила тяжести, которая действует на сам блок, пусть даже и небольшая, тоже есть. Даже если не происходит подъема простого механизма или его частей (как в случае неподвижного блока), необходимо прилагать дополнительную силу на приведение его в движение, т. е. на преодоление инертности механизма. Поэтому прилагаемая к механизму сила должна реально совершать большую работу, чем полезная работа по подъему груза.

Работа силы, приложенной к механизму, называется затраченной или полной работой. А полезной является работа по поднятию только самого груза.

Если рассмотреть любой механизм, то полезная работа всегда составляет лишь некоторую часть полной работы. Обозначим полезную работу как A_П, а затраченную — A₃. Отношение полезной работы, к работе затраченной, называется коэффициентом полезного действия механизма (сокращенно КПД).

Коэффициент полезного действия обозначается маленькой греческой буквой h (эта) и, чаще всего, выражается в процентах. Так как полезная работа всегда меньше совершенной, то коэффициент полезного действия механизма всегда меньше 100%.

Упражнения.

Задача 1. Какую минимальную силу нужно приложить к концу веревки для подъема мешка цемента массой 50 кг с помощью подвижного блока? На какую высоту будет поднят мешок при совершении этой силой работы в 2500 Дж?

Задача 2. Плита массой 120 кг была равномерно поднята с помощью подвижного блока на высоту 16 м за промежуток времени, равный 40 с. Считая коэффициент полезного действия равным 80%, а массу блока — 10 кг, определите полную работу и развиваемую мощность.

Основные выводы:

– Блок — это одна из разновидностей рычага, который представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. Различают подвижный и неподвижный блоки.

– Неподвижный блок — это блок, ось вращения которого закреплена и при подъеме грузов она не поднимается и не опускается.

– Подвижный блок — это блок, ось вращения которого поднимается и опускается вместе с грузом.

– Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а лишь меняет ее направление.

– Подвижный блок, если пренебречь трением и весом самого блока, дает выигрыш в силе в два раза.

– «Золотое правило механики», согласно которому во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в пути.

– Коэффициента полезного действия механизма показывает, какую часть от совершенной прилагаемой силой работы составляет полезная работа.

– Полезная работа всегда меньше совершенной. Коэффициент полезного действия любого механизма меньше 100%.