Простые механизмы

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР» МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДСКОЙ ОКРУГ СИМФЕРОПОЛЬ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

Ломоносовские чтения

Тема: Физика вокруг нас.

Простые механизмы

Работу выполнил: учащийся 8-Б класса

МБОУ «СОШ№5» г. Симферополя

Маньковский Даниэль

Научный руководитель: Серкова Римма Сергеевна,

учитель физики, высшая категория,

Симферополь, 2020

Содержание

Введение 2

Глава 1. Историческая справка 3

Глава 2. Простые механизмы в быту и технике 5

Глава 3. Простые механизмы в живых организмах.………………………………7

Глава 4. Практическая работа………………………………………………………7

Выводы……………………………………………………………………………….9

Список использованных источников информации ……………………………...10

Введение.

С незапамятных времен человек использует для совершения механической работы различные приспособления. Каждому известно, что тяжелый предмет, который невозможно передвинуть непосредственно, сдвигают с места при помощи достаточно длинной палки – рычага. С помощью рычагов три тысячи лет назад при строительстве пирамид в Древнем Египте передвигали и поднимали на большую высоту тяжелые каменные плиты.
Во многих случаях, вместо того чтобы поднимать тяжелый груз на некоторую высоту, его вкатывают или втаскивают на ту же высоту по наклонной плоскости или поднимают с помощью блоков.Такие приспособления называют простыми механизмами.
Итак, приспособления, служащие для преобразования силы и для изменения ее направления, называют простыми механизмами.

Механизм: от греческого слова mechane – орудие, сооружение.

Машина: от латинского слова machina – сооружение.

Гипотеза: простые механизмы как устройства, позволяющие получить выигрыш в силе или скорости в технике, быту и природе.

Цель исследования: исследовать все возможные явные и «скрытые» простые механизмы в быту, технике и организме человека.

Объект исследования: простые механизмы.

Предмет исследования – использование простых механизмов в повседневной жизни.

В соответствии с проблемой, объектом, предметом и целью исследования были поставлены следующие задачи: 

познакомиться с историей возникновения и развития простых механизмов;

рассчитать выигрыш в силе, который могут дать простые механизмы.

Актуальность исследования заключается в том, что позволяет расширить наши знания простых механизмах, умение видеть их в окружающем мире, применять для получения выигрыша в силе

Практическая значимость. Помогают получить выигрыш в силе или увеличить скорость.

Для изучения данной темы мы выбрали следующие методы исследования:

• анализ литературы и других источников информации;

• эксперимент, где на занятиях по исследованию простых механизмов выступает ученик;

• анализ полученных данных;

• выводы.

Глава 1. Историческая справка.

Издавна человек использовал устройства, помогающие выполнять работу, требующую усилий, которые значительно превышают природные возможности мышц человека. Используя знания о перераспределении сил, люди создали простые механизмы, которые позволяют выполнять большую работу с меньшими затратами энергии. Устройства, предназначенные для увеличения силы или изменения ее направления, называются механизмами. К механизму прикладывается сила, которую он передает телам, перемещая их и выполняя работу. К простым механизмам принадлежат рычаг, блок, наклонная плоскость, ворот, клин, винт, колесо и другие. Наклонную плоскость использовали еще во время строительства египетских пирамид. Она применяется и сейчас для подъема на незначительную высоту. Разновидностью наклонной плоскости можно считать винт. Тяжелые вещи можно поднять с помощью длинного деревянного или металлического стержня, имеет точку опоры. Он называется рычагом. По принципу рычага работает, например, колодец «журавль». Из рычагов состоит скелет человека и животных. Способ и место прикрепления мышц к костям обеспечивает конечностям животных высокую скорость движения, что имеет большое значение для жизни животных в природе.

Творения Архимеда.

Когда римские войска осадили Сиракузы, 75-летний Архимед возглавил оборону родного города. Сконструированные им механизмы поразили воображение современников. Огромный урон, наносимый римским войскам «железными лапами» и метательными машинами Архимеда, привел, по словам Плутарха, к тому, что «римляне стали так трусливы, что если замечали, что над стеной движется кусок каната или бревно, то кричали: «Вот, вот оно!» — и, думая, что Архимед хочет направить на них какую-нибудь машину, ударялись в бегство».

Несколько месяцев длилась осада Сиракуз, и лишь благодаря предателям, открывшим ворота, римляне наконец смогли ворвать­ся в город. «Немало примеров гнусной злобы и гнусной алчности можно было бы припомнить,— пишет Тит Ливии (I в. до н. э.) о разграблении Сиракуз,— но самый знаменитый между ними — убийство Архимеда. Среди дикого смятения, под крики и топот озверевших солдат, Архимед спокойно размышлял, рассматривая начерченные на песке фигуры, и какой-то грабитель заколол его мечом, даже не подозревая, кто это». (рис.1)

(рис.1)

Творческую деятельность Архимед начал как инженер, создавая различные механические приспособления, широко использовавшиеся в строительстве и быту. Всего Архимеду приписывают около 40 изобретений, в том числе такие, как винт и полиспаст. К этому периоду относится одно из первых сочинений «Книга опор», не дошедшая до нас, цитаты из которой приводит в своей «Механике» александрийский инженер и математик Герон. В сочинении давался расчет (правда, ошибочный) многоопорной балки и приводилась теория двуплечного рычага.

Тайны египетских пирамид.

Египетские пирамиды – это гробницы фараонов, царей Древнего Египта. Строительство пирамид велось приблизительно с 2700 по 1800 год до нашей эры. Каждый фараон, вступив на престол, начинал строить пирамиду, в которой после смерти он будет погребен. И чем могущественнее и богаче был фараон, тем величественнее была его гробница. Как же возводились эти самые грандиозные архитектурные сооружения древности? Возьмем, например, пирамиду фараона Хуфу (Хеопса). Ее еще называют Великой, так как она – самая большая из всех сохранившихся пирамид и самая изученная. Хотя нужно заранее оговориться, что исчерпывающего, однозначного ответа мы не получим.

Подсчитана общая масса каменных блоков, обработанных и уложенных в пирамиду. Она равна 6.5 миллионам тонн.

История изучения Великой пирамиды Гизы, или пирамиды Хеопса (Хуфу) началась в ХVIII веке, когда Наполеон привез сюда археологов, геодезистов и других ученых. Исследования продолжаются до наших дней, но этот памятник архитектурного искусства Древнего Египта еще не раскрыл все свои тайны.. Еще одной загадкой были методы транспортировки тяжелейших блоков на огромные расстояния. Для разных египетских пирамид применялась различная техника строительства. Ранее в одном из некрополей была обнаружена фреска времен XII династии, на которой изображены 172 человека, тянущих на санях-волокушах алебастровую статую Джехутихотепа II. Песок по пути следования работник поливает водой, отчего скольжение облегчается. Некоторые пирамиды были построены путем перекатывания блоков с помощью люлечного механизма: подобные устройства были найдены при раскопках различных святилищ Нового царства. Кроме того, местами применялась так называемая «технология квадратного колеса»: блок квадратного сечения катится по дороге, созданной из помостов. В 1997 году археолог Марк Ленер (Mark Lehner) провел экспериментальное строительство небольшой пирамиды с шириной основания около девяти метров и высотой 6,1 метров. Блоки массой около двух тонн перемещались силами 12-20 человек при условии использования деревянных полозьев, скользящих по деревянному настилу. Но все опыты и гипотезы не отвечали на вопрос о доставке 2,5-тонных блоков из известняка и гранита к площадке, где возводилась пирамида Хеопса. Ответ был найден только в 2017 году: международная группа археологов под руководством Ленера обнаружила папирус, в котором надсмотрщик над 40 рабочими описывает этот метод. Расшифровка текста дала следующие знания: сначала египтяне отвели воду от Нила и проложили через плато Гиза искусственные каналы. Словом, главная тайна пирамид – трудолюбие и талант человека.

Глава 2. Простые механизмы в быту и технике

Простейший механизм — устройства, дающие выигрыш в силе. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейщих механизмов появились в глубокой древности.

Принято выделять шесть простейших механизмов из которых четыре являются разновидностью двух основных: наклонная плоскость и блок.

Наклонная плоскость:

• Клин— позволяет увеличить давление за счет концентрации массы на малой площади. Клин предназначен для раскалывания прочных предметов. Его вгоняют в щели между деталями, чтобы создать большую силу давления одной детали на другую и тем самым увеличить силу трения покоя между ними, что обеспечит их надёжное сцепление. При огромных силах, прилагаемых к клину, он должен быть очень прочным, из самого твёрдого материала. Клинья используют для плотного насаживания обуха на топорище, клинообразную форму придают лезвиям щипцов для сахара, ножей, кусачек. Используется в копье, лопате и пуле.

• Винт— используется в шурупах, для подъема воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрели и отбойных молотках. С его помощью можно получить значительный выигрыш в силе. Представим себе, что наклонную плоскость высотой h и длиной l свернули в трубку. Такое «сооружение» представляет собой один виток всем хорошо известных видов винтов – болтов и шурупов. Поворачивая гайку, надетую на болт, мы поднимаем её по наклонной плоскости и выигрываем в силе. При закручивании шурупа в деревянную доску или скреплении деталей болтом и гайкой приходится преодолевать силу трения и силу упругости материала. Они бывают настолько большими, что пальцами это сделать трудно, а иногда невозможно. При этом недостаточно выигрыша в силе, получаемого с помощью винта, приходится применять ещё и рычаги: отвёртки и гаечные ключи.

• Рычаг— описан Архимедом. Используется для подъема тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (Шатун-кривошип— используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).

• Ворот — используется для подъема воды в колодцах и для ременной передачи. Ворот – это не что иное, как вид рычага. Он имеет барабан, насаженный на вал, и приводится в движение с помощью ручки. Чем больше радиус ручки по сравнению с радиусом вала, тем больше выигрыш в силе. Можно получить выигрыш в силе гораздо больше, но слишком большой радиус ручки делать не следует, т.к. крутить такую ручку при подъёме воды будет неудобно, а слишком большой проигрыш в расстоянии даст очень малую скорость подъёма, что тоже неудобно. Однако ручку можно заменить колесом или системой спиц.

Блок:

• Колесо— используется в транспорте и в системе зубчатой передачи. Изобретено шумерами в III тыс. до н. э.

• Поршень — позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется в огнестрельном оружии и паровой машине.

Глава 3. Простые механизмы в живых организмах.

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, у человека – кости рук и ног, нижняя челюсть, череп, пальцы. У кошек рычагами являются подвижные когти; у многих рыб – шипы спинного плавника; у членистоногих – большинство сегментов их наружного скелета; у двустворчатых моллюсков – створки раковины. Рычажные механизмы скелета в основном рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Особенно большие выигрыши в скорости получаются у насекомых.

Глава 4. Практическая работа.

Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа. Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа и первого позвонка. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, позади – сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Другой пример работы рычага - действие свода стопы при подъеме на полупальцы. Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила R – вес всего тела – приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

Задание 1. Изучение рычага скорости руки человека

Приборы и материалы: линейка, рисунок руки

Рассматриваю собственную руку. Локоть – точка опоры этого рычага.

Одна из сил (F2) приложена к ладони. Плечо этой силы (l1) – расстояние от локтя примерно до середины ладони.

Вторая сила (F1) – это сила напряжения бицепса, который прикреплен к рычагу совсем недалеко от локтя. Плечо второй силы (l2) намного меньше плеча первой.

Ход выполнения работы

Измеряю плечи сил на собственной конечности. Место соединения бицепса и кости-рычага хорошо прощупывается, и оцениваю расстояние от локтя до этого места. Сила мышц руки для удержания в равновесии груза массой 5 кг из условия равновесия рычага .

Вывод: рука человека как рычаг проигрывает в силе в 8 раз, но выигрывает в скорости. Рука-это рычаг скорости. Вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как и согнутой рукой. Когда рука вытянута, то направление действия мышечной силы составляет малый угол с продольной осью вращения рычага, надо увеличить мышечное усилие.

Задание 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.

5. Выводы.

В результате исследовательской работы над данной темой я научился определять выигрыш в силе различных простых механизмов.

1. Сила человека ограничена, поэтому он часто применяет приспособления (механизмы), которые преобразовывают его силу в силу существенно большую, т. е. получают выигрыш в силе;

2. При использовании простых механизмов выполняется «золотое правило» механики: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии;

3. Простые механизмы широко применяются в практической деятельности;

4. Простые механизмы применяют при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу;

5. Различные простые механизмы, которые нас окружают, позволяют получить выигрыш в силе или расстоянии, делая нашу жизнь удобнее;

6. Простые механизмы не дают выигрыша в работе;

7. Человек применяет простые механизмы, хотя часто даже не подозревает о его использовании. Поэтому нам необходимо знать и учитывать особенности их действия.

«Список использованных источников информации»

1. Балашов М.М. Физика. М., 1994 г.

2. Гальперштейн Л. М., Забавная физика, 1993 год

3. Голин Г.М. Филонович С.Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала ХХ века). М., 1989 г.

4. Горев Л. А. Занимательные опыты по физике, 1995 год

5. Электронные ресурсы

11