Підготувала презентацію Красота Анастасія 8 - М

Вже в далекі часи виникла потреба мати пристрої, які б дали можливість отримати виграш у силі. Іншими словами, пристрої, застосування яких дає змогу піднімати вантажі, які без таких пристроїв не можна навіть зрушити з місця.

Пристрої, призначені для збільшення сили чи зміни її напрямку, дістали назву механізми. Щоб полегшити свою працю, тобто отримати виграш у силі, людина винайшла, виготовила та почала використовувати такі прості механізми, як важіль, блок, коловорот, похилу площину, клин, гвинт, колесо та інші. За допомогою таких механізмів люди і будували піраміди, храми тощо. Прості механізми - це не що інше як знаряддя праці.

Набагато легше переміщувати вантажі, поставивши їх на колеса, колоти кам'яні брили або дерев'яні колоди, користуючись клином трикутним шматком дерева чи металу. І нині важкі речі, як-от: камені, ящики, навіть автомобілі, людина здатна підняти за допомогою довгого дерев'яного чи металевого стержня або дошки, що мають точку опори, - важеля. За принципом важеля працює криниця, народна назва якої «журавель». Щоправда, важіль має недолік - за допомогою цього простого механізму вантажі не можна підняти на значну висоту.

Інший простий механізм - блок не має такого недоліку. Блок виготовляють у вигляді колеса із заглибиною для мотузки чи ланцюга. Якщо блок закріпити на потрібній висоті і перекинути через нього мотузку або ланцюг, то піднімати вантажі буде зручніше і швидше. Проте блок не дає виграшу в силі, а лише змінює напрямок її дії. Тривалий час цей простий механізм був незамінний у будівництві. Ним і тепер користуються під час індивідуального будівництва.

У сільській місцевості воду з колодязів зазвичай дістають за допомогою коловорота. Це також простий механізм.

До простих механізмів належить і похила площина. її використовують для отримання виграшу в силі під час переміщення тіл.

Жоден із простих механізмів не дає виграшу в роботі: виграш у силі супроводжується програшем у відстані, отже добуток цих величин не змінюється.

Традиційно виділяють тільки шість простих механізмів: Важіль Колесо Блок Похила площина Клин Гвинт Іноді цей список скорочують, вважаючи, наприклад, що клин та гвинт є різновидами похилої площини. Іноді до простих механізмів додають також гідравлічні пристрої, такі як поршень.

Важіль

Ва́жіль — це простий механізм, тверде тіло, що може обертатися навколо певної точки, яка називається точкою опори. Застосовується для підйому вантажів.

Одним з перших трактатів, у якому докладно розглядалася проблема важеля був трактат "Механічні проблеми" невідомого автора з аристотелівського корпусу. Важіль використовувався людством з древніх часів, а от повністю зрозумів і зумів сформулювати принцип дії цього простого механізму Архімед. Йому належить крилатий вираз "Дайте меті точку опори, і я переверну Землю".

Принцип дії

Принцип дії важеля оснований на основних законах статики. Статична рівновага досягається тоді, коли алгебраїчна сума добутків сили на плече дорівнює нулю.

Сили потрібно брати зі знаком плюс, якщо вони намагаються повернути важіль в один бік (наприклад, за годинниковою стрілкою), і зі знаком мінус, якщо вони намагаються повернути його в протилежний бік.

Для того, щоб отримати виграш у силі, тобто піднімати більший вантаж, застосовуючи меншу силу, необхідно прикладати її до довшого плеча.

Типи важелів

За будовою можна виділити важелі трьох типів.

У важелі першого типу точки прикладення сил лежать з різних боків від точки опори. Одна з сил намагається повернути важель за годинниковою стрілкою, інша — проти годинникової стрілки. Для того, щоб отримати виграш у силі, потрібно, щоб плече, до якого прикладена сила, було довшим за плече навантаження.

У важелі другого типу обидві точки прикладення сил лежать по один бік від точки опори і тягар має менше плече. Щоб підняти тягар, необхідно направити силу вгору. Приклади таких важелів — тачка, лом.

У важелі третього типу обидві точки прикладення сил лежать по один бік від точки опори, але тягар має більше плече. При цьому потрібно прикладати силу, більшу за тягар. Приклад такого важеля — ложка.

Іноді, важелі використовуються не для того, щоб отримати виграш у силі, а для того, щоб отримати виграш у віддалі, на яку переміщається вантаж. Приклад такого використання - криничний журавель або будівельний кран. У цьому випадку вантаж легкий порівняно з противагою на кінці протилежного плеча

Важіль в давньому Єгипті.

Колесо

Ко́лесо — це простий механізм, призначений для перетворення поступального руху в обертовий і навпаки. Винахід колеса приблизно 6 тисяч років тому був значним кроком у технічному поступі людства.

Колесо—предмет круглої форми, жорстко закріплений на осі. Для зменшення маси колесо часто виготовляють із зовнішнім ободом і радіальними шпицями.

Принцип дії

При перетворенні поступального руху в обертову тягу сила прикладається перпендикулярно до осі. Тяга забезпечується зовнішньою силою, наприклад, кіньми. В такому випадку призначення колеса — зменшення сили тертя. Це зменшення забезпечується заміною тертя ковзання тертям кочення. Тертя кочення набагато менше, ніж тертя ковзання.

При перетворенні обертового руху в поступальний до осі колеса прикладається крутильний момент. В цьому випадку використовується тертя спокою, яке набагато більше, ніж тертя кочення. Колесо неефективне, якщо воно проковзує на поверхні (пробуксовує).

Часто в механічних екіпажах використовуються обидва типи перетворення: є колеса з приводом, і колеса, що зменшують тертя. Так, наприклад, у довгому потягу локомотив використовує тертя спокою, що дозволяє йому тягнути за собою понад 20 вагонів, на колеса яких діє тертя кочення.

Механіка

Колесо істотно зменшує витрати енергії на переміщення вантажу по відносно рівній поверхні. При використанні колеса робота здійснюється проти сили тертя кочення, яка в штучних умовах доріг істотно менша, ніж сила тертя ковзання. Колеса бувають суцільні (наприклад, колісна пара залізничного вагона) і складаються з досить великої кількості деталей, наприклад, до складу автомобільного колеса входить диск, обід, покришка, іноді камера, болти кріплення тощо. Зношення покришок автомобілів є майже вирішеною проблемою (при правильно встановлених кутах коліс). Сучасні покришки проїжджають понад 100 000 км. Невирішеною проблемою є зношення покришок у коліс літаків. При зіткненні нерухомого колеса з бетонним покриттям злітної смуги на швидкості в кілька сотень кілометрів на годину зношення покришок величезне.

Сьогодні найчастіше колесо використовується у транспортних засобах — автомобілях, потягах, велосипедах, самокатах, кінних возах, а також як шасі у літаках, гелікоптерах тощо.

Цікаві факти

У липні 2001 року на колесо був отриманий інноваційний патент з наступним формулюванням: «круглий пристрій, що застосовується для транспортування вантажів» [3]. Цей патент був виданий Джону Кео, юристу з Мельбурна, який хотів тим самим показати недосконалість австралійського патентного закону.

Французька компанія Мішлен в 2009 році розробила придатне до масового випуску автомобільне колесо Active Wheel з вбудованими електродвигунами, що приводять у дію колесо, ресору, амортизатор і гальмо. Таким чином, ці колеса роблять непотрібними такі системи автомобіля: двигун, зчеплення, коробку передач, диференціал , привідний і карданний вал[4]. Ідея мотор-колеса не нова — вона була реалізована ще в кінці XIX століття Фердинандом Порше в Австро Угорській імперії, проте практичне застосування його зіткнулося з вельми серйозними труднощами, в результаті чого розповсюдження мотор-колеса носить нині вкрай обмежений характер (кар'єрні самоскиди, «Луноход» та інші планетоходи).

У 1959 році американець А. Сфредд отримав патент на квадратне колесо. Воно легко йшло по снігу, піску, бруду, долало ями. Всупереч побоюванням, машина на таких колесах не «кульгала» і розвивала швидкість до 60 км/год.

Блок

Блок - це простий механічний пристрій, що використовується здебільшого для підйому вантажів, колесо з жолобом, що обертається навколо закріпленої осі. Жолоб призначений для мотузки, канату, ланцюга, ременя. Блок може бути нерухомим, коли його вісь жорстко закріплена на опорі, або рухомим. Нерухомий блок вживається для підйому невеликих вантажів або для зміни напрямку сили.

Рухомий блок має вільну вісь і призначений для зміни величини прикладених зусиль. Якщо кінці мотузки, що охоплює блок, складають з горизонтом рівні між собою кути, то сила, що діє на вантаж, відноситься до його ваги, як радіус блоку до хорди дуги, обхопленної канатом; звідси, якщо мотузки паралельні (тобто коли дуга, охоплена мотузкою, дорівнює напівколу), то для підйому вантажу сили буде потрібно вдвічі менше, ніж вага вантажу.

Фактично, будь-який блок є важелем, у випадку нерухомого блоку - рівноплечним, у разі рухомого зі співвідношенням плечей 1 до 2. Як і для будь-якого іншого важеля, для блоку справедливе правило: виграш у зусиллі дорівнює програшу у відстані. Іншими словами, робота, що здійснюються під час переміщення вантажу на яку-небудь відстань без використання блоку, дорівнює роботі, затраченій під час переміщення вантажу на ту ж саму відстань із застосуванням блоку за умови відсутності тертя. У реальному блоці завжди присутні деякі втрати.

Використовується система, що складається з комбінації декількох рухомих і нерухомих блоків. Така система називається поліспаст. Він дає виграш у силі в 2 рази.

Похила площина

Похи́ла площина́ — це один із простих механізмів, призначений для зменшення сили, за допомогою якої можна підняти вантаж на висоту.

Переріз похилої площини — прямокутний трикутник із гострим кутом

Похила площина в природі й техніці

Похилі площини часто зустрічаються в повсякденному житті. Наприклад, для підйому вантажів використовуються пандуси. Завдяки нахилу пандуса сила, необхідна для збільшення висоти менша, хоча шлях, який потрібно подолати, збільшується.

Менш очевидно те, що на принципі похилої площини ґрунтується дія інших простих механізмів: клину і гвинта. У випадку клину використовується похила площина з дуже гострим кутом. У випадку гвинта різь теж є викривленою похилою площиною.

Клин

Клин - це один із простих механізмів, який використовується для розщеплення твердих тіл.

Найуживаніший вид клину - це різні варіанти ножів: бритви, мечі, коси, серпи тощо.

Фізика розглядає клин, як переносну похилу площину з гострим кутом.

Принцип дії клина оснований на механіці утворення і поширення тріщин в суцільному середовищі. Перш за все гострий кут дозволяє створювати великий тиск на поверхню тіла, яке потрібно розщепити чи розрізати, оскільки тиск дорівнює відношенню прикладеної сили до площі поверхні. Відповідно, вістря клина служить концентратором напружень у твердому тілі.

Крім того завдяки своїй формі клин створює силу в напрямку, перпендикулярному до прикладеної. Чим менший кут при вістрі клина, тим ефектривніше він розщеплює.

Прислів'я

Клин клином виганяють.

Який ясен, такий клин, який батько, такий син.

Куди не кинь, всюди клин.

Москва не клином зійшлася, околиці немає.

Гвинт

Гвинт (ґвинт)— один із шести простих механізмів, що є деталлю циліндричної, рідше конічної, форми з гвинтовою поверхнею або деталлю з гвинтовими лопатями.

Елементом, що передає зусилля можуть бути різного роду головки, шліци в торці стержня тощо. Від шурупа гвинт відрізняється тим, що не має конічного звуження на кінці і не створює нарізі при вкручуванні. Гвинт призначений для утворення нарізевого з’єднання або фіксації.

Історія появи

Гвинтовий механізм був відомий ще у Стародавній Греції (як Архімедів гвинт). Пізніше його описав грецький математик Архіт Тарентський. У I столітті до н. е. дерев’яні гвинтові передачі вже широко застосовувалися в країнах Середземномор’я, в складі олійних і винних пресів. В Європі XV століття металеві гвинти в якості кріпильних виробів були дуже рідкісні, якщо взагалі були відомі.

Ручні викрутки (в оригіналі — фр. Tournevis) з’явилися не пізніше 1580 року, хоча широке поширення вони одержали тільки з початком XIX століття. Спочатку гвинти були однією з численних різновидів кріплення в будівництві, і застосовувалися в столярному та Ковальському ремеслах.

Широке поширення металевих гвинтів почалося після появи в 1760—1770 роках машин для їх масового потокового виготовлення. Розвиток цих машин спочатку йшов двома шляхами: промислове виготовлення гвинтів до дерев на одноцільовій машині, і дрібносерійне штампування потрібних гвинтів майстрами на напівручній машинці зі змінним оснащенням.

Висновок

Отже, прості механізми - це різні пристрої, які дозволяють виконувати роботу за умови прикладання до тіла порівняно невеликої сили та змінювати напрям дії сили на зручніший для людини.

Дякую за увагу!