XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение свойств простых механизмов. Блоки, рычаги, ременная передача
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Человек изобрел множество простых и сложных механизмов, облегчающих его ежедневный труд. В исследовательской работе в прошлом году мы изучали свойства шестеренок. В этом году мы решили продолжить изучать устройство простых механизмов на примере рычага, блока, ременной передачи. Все эти механизмы помогают существенно уменьшать усилия, прилагаемые для выполнения работы, увеличивать поднимаемый вес, изменять параметры вращения двигателя. Несмотря на то, что эти механизмы очень простые и древние, мы пользуемся ими ежедневно в современной жизни. Примером механизмов, использующих принцип рычага, могут быть ножницы, блоков – подъемный кран, ременной передачи – ремень ГРМ в автомобиле. Примеров так много, что все не перечислить. Давайте же приступим к их изучению.
Актуальность работы: Актуальность нашей работы обусловлена всеохватывающим применением простых механизмов в деятельности человека. Умение понимать принцип их действия и умение правильно применять их на практике необходимо в современной жизни.
Проблема: необходимость прояснить влияние простых механизмов на параметры прикладываемых усилий.
Гипотеза: Использование простых механизмов, позволяет изменять разные параметры прикладываемых усилий.
Цель: изучить физические свойства рычагов, блоков, ременной передачи.
Задачи:
• Изучитьлитературу, поданнойтеме;
• Познакомиться с историей возникновения блоков, рычагов, ременной передачи;
• Выяснить, как использование простых механизмов влияет на приложенные к ним усилия;
• Оформитьисследования в видепроекта.
Методы исследования:
-
теоретический – изучение литературы;
-
эмпирический – проведение опытов;
-
статистический – сведение результатов опытов в таблицу
Новизна: заключается в комплексном подходе к изучению исследуемых механизмов, в который входит не только теоретическое рассмотрение материала, но и в проведение комплекса натурных экспериментов, подтверждающих теоретические выкладки, а также анализ полученных результатов.
2. Основная часть. Устройство простейших механизмов - рычагов, блоков, ременных передач
2.1. Термины и определения.
Перед началом исследования необходимо дать определение основным понятиям, используемым в работе.
Рычаг – простейший механизм, состоящий из балки вращающейся вокруг точки опоры [1].
Рычаг первого рода – рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону.
Рычаг второго рода – рычаг, ось вращения которого расположена на одном конце рычага, а силы распределены по длине плеча и направлены в противоположные стороны.
Блок — это простейший механизм, состоящий из колеса с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Блоки бывают подвижные и неподвижные [2].
Неподвижный блок – это блок, ось которого закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается.
Подвижный блок – это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом.
Полиспаст - это система из подвижных и неподвижных блоков соединенных гибкой связью, служащая для получения выигрыша в силе (силовые полиспасты) или скорости (скоростные полиспасты).
Ременная передача – это механизм передачи крутящего момента от двигателя с помощью ремня, который оборачивается вокруг шкивов (колеса с желобом по окружности) [3].
Равновесие — это момент когда, силы в какой-либо системе действуют друг на друга так, что она остается в покое.
Эти понятия выводятся в форме слайд-шоу на экран ноутбука/проектора.
2.2. История возникновения и развития простых механизмов
Рычаги были изобретены человеком в далекой древности. История не сохранила сведений о том, кто был первым изобретателем, но нам известно, что в V веке в Месопотамии были изобретены равновесные весы (один из видов рычага). В древнем Риме уже был известен механизм безмен. Древнегреческий ученый Архимед, изучая рычаги, открыл закон: во сколько раз больше масса на одном из плеч рычага, во столько же раз это плечо должно быть короче другого. Архимеду принадлежит известная фраза: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!» [4]. Предполагается, что при строительстве египетских пирамид для подъема тяжелых блоков тоже использовались рычаги. Так же при строительстве пирамид использовался такой механизм, как блок и система блоков и канатов – полиспаст. Блок и полиспаст представляют собой грузоподъемные механизмы. Использование блоков позволяет уменьшить усилия, необходимые для подъема груза. Период изобретения человеком блоков точно неизвестен, но изучение древнейших сооружений (Египетские пирамиды, китайская стена) говорит о возрасте данного изобретения в несколько тысяч лет назад. Еще одним простейшим механизмов заинтересовавшим нас, стала ременная передача, представляющая собой систему из колеса (шкива) и ремня скользящего по нему. Одни из первых упоминаний о ременной передаче встречаются в древних китайских источниках. При помощи ременной передачи наматывали шелковую нить на катушки прядильной машины. Данные механизмы активно использовались в средние века, например в прялках. С наступлением эпохи промышленной революции ременные передачи стали очень активно использоваться в паровых машинах, ткацких и столярных станках. И по сей день, ременная передача используется в современных механизмах: автомобилях, лифтах.
3. Практическая часть.Изучение свойств рычагов блоков, ременных передач опытным путем
3.1. Оборудование и материалы.
Для демонстрации принципов работы рычагов, блоков, ременной передачи мы будем использовать специально сконструированный стенд (см. Приложение I, рис.1), состоящий из:
а) участка испытания свойств подвижных и неподвижных блоков.
б) участка испытания свойств рычагов первого и второго рода.
в) участка испытания свойств ременной передачи.
г) поля для записи результатов.
д) набора грузов одинакового веса.
- Участок испытания свойств подвижных и неподвижных блоков предназначен для наглядной демонстрации физических принципов их работы в доступной для детей форме. Данный участок позволяет создавать системы из различных подвижных и неподвижных блоков, а так же оценивать изменения усилий и перемещений грузов при использовании блоков.
- Участок испытания свойств рычагов первого и второго рода позволяет нам понять взаимосвязь прикладываемых усилий на рычаги в зависимости от длины их плеч, а также увидеть взаимосвязь межу изменением усилий и перемещением грузов.
- Участок испытания свойств ременной передачи используется для демонстрации физических свойств ременной передачи при вращении двигателя.
- Поле для записи результатов представляет собой закрепленный на стенде бланк на листе формата А3, в подготовленные таблицы которого, будут вноситься результаты натурных испытаний.
Также нам необходим ноутбук, присоединенный к проектору или экрану. На экран по мере проведения исследования будут выводиться основные понятия с описанием и пояснениями. После проведения испытаний также будут отражаться выводы по результатам.
3.2 Ход исследования.
Переходим к испытательному блоку нашего стенда.
1. Закрепим блок с торсом на подвесе – получим неподвижный блок. Присоединим груз к одному из концов троса. После присоединим такой груз к другому концу троса, чтобы блок пришел в равновесие. Замеряем расстояние, на которое перемещается один из грузов, если перемещать другой. Результаты заносим в таблицу, делаем вывод, что неподвижный блок не влияет ни на величину усилий, ни на расстояние перемещения груза. Он способен только изменять направление приложенного к грузу усилия (см. Приложение I, рис.2).
2. Теперь добавим в систему еще один блок так, чтобы этот блок перемещался вместе с грузом – получим подвижный блок. Присоединим груз к одному из концов троса. После присоединим такой груз к подвижному блоку, чтобы система блоков пришла в равновесие. Мы видим, что подвижный блок позволяет уравновесить вдвое больший груз. Замеряем расстояние, на которое перемещается один из грузов, если перемещать другой, и видим, что вдвое больший груз перемещается на вдвое меньшее расстояние (см. Приложение I, рис.3).
3. Повторим опыт, добавив в систему еще один подвижный блок. Мы видим, что система пришла в равновесие при навешивании на один из концов троса вчетверо большего груза. При этом перемещение данного груза уменьшилось также в четыре раза. Результаты заносим в таблицу (см. Приложение I, рис.4).
Из проведенных опытов видно, что каждый последовательно присоединенный подвижный блок в системе дает выигрыш в силе в два раза, но, при этом, груз перемещается на в два раза меньшее расстояние.
4. Изготовим полиспаст, состоящий из двух подвижных и двух неподвижных блоков (см. Приложение I, рис.5). Проведем с ним опыт, аналогичный опыту в пункте два, и сравним полученные результаты. Мы видим, что результаты опытов аналогичны, следовательно схема соединения блоков не влияет на изменение усилий и величину перемещения груза.
5. Перейдем к исследованию рычагов. Присоединим к одному плечу рычага первого рода груз. Теперь попробуем уравновесить рычаг, присоединяя грузы к другому плечу рычага на расстояниях в 1, 2 и 3 длины от оси до первого груза. Результаты заносим в таблицу. Опыт показывает, что для уравновешивания рычага с одинаковой длиной плеч массы грузов выбираются равными, при этом, если одно из плеч рычага переместить на какое-то расстояние, то второе плечо с грузом переместится на такое же расстояние в противоположную сторону.
При отношении длин плеч рычага 1:2 или 1:3 система приходит в равновесие с удвоенным или, соответственно, утроенным грузом. При этом отношение перемещения грузов относительно друг друга также уменьшается в два или три раза (см. Приложение I, рис. 6- 7).
6. Аналогичный опыт проведем с рычагом второго рода. Для его реализации груз к одному из плеч присоединим через неподвижный блок. Присоединив грузы на половине и трети плеча, мы увидим, что результаты опытов полностью аналогичны результатам опыта с рычагом первого рода (см. Приложение I, рис. 8-9).
Проанализировав все вышеперечисленные опыты, мы можем понять, что:
а) Блоки проявляют те же физические свойства, что и рычаги, а значит являются одним из видов рычага.
б) Для всех исследованных механизмов увеличение выигрыша в силе при перемещении груза, дает такое же по значению уменьшение величины перемещения. Отсюда следует, что механическая работа, которую необходимо выполнить, для перемещения груза определенной массы на определенное расстояние, при помощи простых механизмов, не изменяется – увеличивая массу груза, перемещаемого рычагом или блоком, мы на такую же величину уменьшаем расстояние на которое груз перемещается. Данный закон называется «Золотым правилом механики».
7. Теперь изучим свойства еще одного простого механизма – ременной передачи и ее влияние на вращение двигателя. Соединив два шкива одинакового размера ремнем напрямую, начнем вращать один из шкивов. Мы видим, что второй шкив вращается с той же скоростью и в том же направлении, что и первый. Это означает, что прямая (открытая) ременная передача служит только для смещения оси вращения. Если мы соединим эти же шкивы перекрестно, то они будут вращаться с одинаковой скоростью, но в разном направлении. Заменив один из шкивов на шкив меньшего диаметра, мы увидим, что меньший шкив вращается с большей скоростью (см. Приложение I, рис. 10).
4. Заключение
По результатам анализа данных, внесенных в поле записи результатов, (см. Приложение I, рис.11) мы приходим к следующим выводам.
Гипотеза подтверждена: использование простых механизмов может менять направление, скорость и величину прикладываемых усилий.
Выводы:
-
При помощи рычагов и подвижных блоков можно увеличивать усилие, передаваемое на груз. При этом, при увеличении усилия передаваемого грузу, будет пропорционально уменьшаться расстояние на который груз переместится под действием исходной силы.
-
Так как влияние подвижного блока на груз аналогично влиянию рычага, то подвижный блок можно считать одним из видов рычага.
-
Неподвижный блок не влияет на передаваемое усилие и способен только изменить направление приложенной силы.
-
Ременная передача позволяет перемещать ось вращения в пространстве. При этом, в случае необходимости можно изменять скорость и направление вращения.
5. Список литературы.
1. Бекурин М., Простые механизмы и передачи. Учебное издание. – Екатеринбург: Астер, 2017. – 227 с.: ил.
2. Филиппов С.А., Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. – М.: Лаборатория знаний, 2017. – 176 с.: ил.
3. Арнольд Ник, Крутая механика для любознательных. Лабиринт, 2020. – 22 с.: ил.
4. Адлер Д. А., Физмат для дошколят. Простая механика. Колёса, рычаги и шестерёнки. Махаон, 2020. – 32 с.: ил.
П
риложение I
Рис. 1. Демонстрационный стенд
Рис. 2. Свойства неподвижного блока
Рис. 3. Свойства подвижного блока
|
Рис. 4. Свойства системы с двумя подвижными блоками |
Рис. 5. Система полиспаста |
Рис. 6. Свойства рычага 1 рода с плечом 1:2
Рис.7. Свойства рычага 1 рода с плечом 1:3
Рис. 8. Свойства рычага 2 рода с плечом 1:2
Рис. 9. Свойства рычага 2 рода с плечом 1:3
Рис. 10. Свойства ременной передачи
Рис. 11. Таблица с результатами опытов