что такое рычаг первого рода
Ряд конспектов по Простым механизмам «Рычаг»
Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече. Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие
Используя принцип рычага, появилась возможность создания механизмов, облегчающих человеческий труд и позволяющих выполнять действия, для которых было недостаточно физической силы человека. Наглядным примером тому могут служить знаменитые египетские пирамиды. Вес блоков, из которых возводились пирамиды, достигал 2,5 тонн. Блоки нужно было не только передвигать, но и поднимать.
Рычаги первого рода — детские качели, ножницы, молоток;
Рычаги второго рода — тачка, приподнимание предмета ломом движением вверх;
Рычаги третьего рода — задняя дверь или капот легковых автомобилей на газовых пружинах, подъём кузова самосвала (с гидроцилиндром в центре), движение мышцами рук и ног человека и животных.
Соберите механический захват и проведите опыт по захватыванию деталей различных форм (колесо, шестеренка, балка, изогнутая балка, втулка)
Модернизируйте свой захват и проведите повторно испытания. Соберите сборные фигуры из деталей других форм (крест, забор или формы букв). Влияет ли форма захвата на его функцию? Запишите результаты в таблицу тетради.
Постройте катапульту и проведите опыты с различной длиной рычага. Понаблюдайте как изменяется траектория полета в зависимости от длины рычага.
Соберите модель «тачки», используя в основе конструкции рычаг второго рода. Проведите эксперименты, указанные в тетради.
Информация из книги «Простые механизмы и передачи» Поддержи проект
Лига образования
1.9K пост 16.5K подписчика
Правила сообщества
Публиковать могут пользователи с любым рейтингом. Однако мы хотим, чтобы соблюдались следующие условия:
-уважение к читателю и открытость
-публикация недостоверной информации
-конструктивные дискуссии на тему постов
-личные оскорбления и провокации
-неподкрепленные фактами утверждения
Перельман великий человек, сам его книжками зачитывался! Здесь история в другом. Я педагог доп. образования и преподаю робототехнику детям (используя Лего). У меня появилась группа учащихся младших классов и встал вопрос о методики преподавания. Стандартные инструкции меня не устраивали и я подбирал материал к урокам. В итоге набралась книга!
LEGO представила набор для обучения детей программированию
Компания LEGO представила новый набор своей линейки Education — Spike Prime, разработанный для обучения школьников программированию и робототехнике. Конструктор состоит из более 500 деталей и управляется с помощью приложения. Подробнее о новинке можно прочитать на сайте компании.
Обычно базовым навыкам программирования учат школьников среднего и старшего возраста в рамках уроков по информационным технологиям. Для этого нередко используют языки программирования со встроенной визуальной средой, как Scratch, разработанный специально для детей. При этом разрабатываются также и осязаемые среды программирования, которые позволяют детям применить базовые навыки для управления настоящими роботами. Например, у того же Scratch есть встроенный инструмент, который помогает в обучении роботов, а конструктор для осязаемого программирования пару лет назад также представила компания Google.
В новый набор от LEGO входят 523 детали: как обычные кубики, так и детали из серии Technic (например, шестерни, блоки с сенсорами и моторами). К каждому набору прилагается станция для отладки создаваемых конструкций: роботов можно подключить к ней с помощью USB, а также она поддерживает Bluetooth; в станции также есть встроенный гироскоп. Управлять созданной системой можно с помощью Scratch-приложения с простым интерфейсом.
Набор целиком обойдется в 330 долларов, а поставки покупателям начнутся в августе этого года. К каждому набору компания обещает предоставить несколько 45-минутных видеоуроков для использования в классе. Судя по всему, представлен конструктор будет и в России: на официальном русскоязычном сайте компании даже появилось обучающее видео.
Виды рычагов в физике
Равновесие в физике представляет собой состояние системы, при котором она находится в относительном покое к окружающим объектам. Изучением условий равновесия занимается статика. Одним из механизмов, знание условий равновесия для работы которого имеет принципиальное значение, является рычаг. Рассмотрим в статье, какие виды рычагов бывают.
Что это в физике?
Вам будет интересно: «Несмотря»: как пишется это слово
Вам будет интересно: «Несмотря»: как пишется это слово
Понятие о вращающем моменте
Понимание принципа работы разного вида рычагов в физике возможно, если изучить вопрос равновесия рассматриваемого механизма, которое тесным образом связано с понятием момента силы.
Момент силы обеспечивает возможность совершить поворот вокруг данной оси всей системы. Яркими примерами, в которых можно наблюдать момент силы в действии, являются откручивание гаечным ключом гайки или открывание двери за ручку, находящуюся далеко от дверных петель.
Вращающий момент является векторной величиной. В решении задач часто приходится учитывать его знак. Следует запомнить, что всякая сила, вызывающая вращение системы тел против часовой стрелки, создает момент силы со знаком +.
Равновесие рычага
Чтобы рычаг не совершал вращательные движения, необходимо, чтобы сумма всех моментов сил была равна нулю. Плечо силы реакции опоры равно нулю, поэтому момента она не создает. Остается записать моменты сил F и R:
Записанное условие равновесия рычага в виде формулы, также приводится:
Это равенство означает, что для того, чтобы рычаг не совершал вращение, внешняя сила должна быть во столько раз больше (меньше) веса поднимаемого груза, во сколько раз плечо этой силы меньше (больше) плеча, на которое действует вес груза.
Приведенная формулировка означает, что во сколько раз мы выигрываем в пути с помощью рассматриваемого механизма, во столько же раз проигрываем в силе.
Рычаг первого рода
Он был показан в предыдущем пункте. Здесь лишь скажем, что для рычага данного вида опора расположена между действующими силами F и R. В зависимости от соотношения длин плеч такой рычаг может применяться как для подъема тяжестей, так и для придания телу ускорения.
Примерами рычагов первого рода являются механические весы, ножницы, гвоздодер, катапульта.
В случае весов мы имеет два плеча одинаковой длины, поэтому равновесие рычага достигается только в том случае, когда силы F и R равны друг другу. Этот факт используется для взвешивания тел неизвестной массы путем сравнения ее с эталонным значением.
Что касается катапульты, то это яркий пример выигрыша с помощью рычага в пути, а значит, и в ускорении, которое его плечо сообщает снаряду.
Рычаг второго рода
Во всех рычагах второго рода опора находится вблизи одного из концов балки. Это ее расположение приводит к наличию всего одного плеча у рычага. При этом вес груза расположен всегда между опорой и внешней силой F. Расположение сил в рычаге второго рода приводит к единственному полезному результату: выигрышу в силе.
Примерами этого вида рычага являются тачка ручная, которая служит для перевозки тяжелых грузов, а также орехокол. В обоих случаях проигрыш в пути не имеет никакого отрицательного значения. Так, в случае ручной тачки важно лишь удерживать груз на весу во время его перемещения. При этом прилагаемая сила оказывается в несколько раз меньше веса груза.
Рычаг третьего рода
Конструкция рычага этого вида во многом подобна предыдущему. Опора в этом случае также расположена на одном из концов балки, и рычаг обладает единственным плечом. Однако расположение действующих сил в нем совершенно иное, чем в рычаге второго рода. Точка приложения силы F находится между весом груза и опорой.
В заключение отметим, что все виды рычагов работают по одному и тому же принципу. Они не дают выигрыша в работе по перемещению грузов, а лишь позволяют перераспределить эту работу в сторону более удобного ее выполнения.
Рычаги
Урок 37. Физика 7 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Рычаги»
«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»
В данной теме речь пойдёт о простых механизмах, используемых человечеством с незапамятных времен, и более подробно остановимся на самом распространенном из них — рычаге.
Ранее говорилось о механической работы и мощности. Механическая работа — это скалярная физическая величина, пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути. Единицей работы в системе СИ является Дж (джоуль). Мощность — это скалярная физическая величина, которая характеризует быстроту совершения работы. Единицей мощности в системе СИ является Вт (ватт).
С незапамятных времен человечество использует различные приспособления для совершения механической работы. Известно, что очень тяжелые предметы достаточно трудно, а временами и невозможно, передвинуть непосредственно. Однако используя достаточно длинную палку, или, как ее еще называют, рычаг, это можем сделать достаточно легко.
Если посетить любое современное производство, то можно увидеть, как работают машины. Они, как разумные существа, прессуют, гнут, режут большие металлические листы, считают и сортируют, взвешивают и упаковывают различные изделия.
Однако если рассмотреть любое устройство такой сложной конструкции, то можно заметить, что ее механическая составляющая представлена сочетаниями всего шести видов простых механизмов — рычагов, блоков, винтов, клиньев, воротов и наклонных плоскостей.
В быту также часто используются простые механизмы — это топор, лопата, ножницы, мясорубка и многое другое.
Зачем нам нужны простые механизмы? Для ответа на этот вопрос, рассмотрим простой пример. Пусть необходимо поднять груз на некоторую высоту. Для этого можно воспользоваться одним из шести простых механизмов. Во всех шести случаях действие силы приведет к подъему тела. Но эта сила вовсе не направлена вверх и, за исключением одного случая, не приложена непосредственно к поднимаемому телу. Но самое важное здесь то, что эта сила во всех случаях меньше веса поднимаемого тела. Значит, использование простых механизмов позволяет получить выигрыш в силе.
Таким образом, простые механизмы — это приспособления, которые служат для преобразования силы.
Но простые механизмы служат не только для подъема тела. Их используют, когда режут ножницами бумагу или ткань, колют дрова, гребут веслами и т. д. Более того, эти механизмы есть и в теле человека.
Простые механизмы использовались человеком с древнейших времен. Воображение каждого туриста, посетившего остров Пасхи, поражают древние каменные изваяния огромных размеров, расположенные по всему острову. В создании этих тяжелых каменных изваяний (а на одном из них только шляпа имеет массу около 3 т), при их подъеме в вертикальное положение использовались простые механизмы. Аналогично строились и великие египетские пирамиды.
Одним из наиболее распространенных простых механизмов является рычаг. Именно он позволяет малой силой уравновесить большую силу. Рычаги присутствуют во многих устройствах.
Что же такое рычаг и как получить выигрыш в силе, пользуясь им? Рычагом является любое твердое тело, которое может поворачиваться относительно неподвижной оси или опоры. Все рычаги делятся на 2 вида: рычаг первого рода и второго рода.
Рычагом первого рода называется рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону. Примером могут служить ножницы, коромысло равноплечих весов и др.
Рычагом второго рода называется рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу. Это, например, гаечные ключи, двери и т.д.
При каких условиях рычаг находится в равновесии? Поставим опыт. (Сразу отметим, что все выводы, которые будут сделаны нами для рычага первого рода, будут справедливы и для рычага второго рода). Возьмем в качестве рычага линейку длиной 1 метр, и поместим ее на неподвижную опору, находящуюся ровно посередине. На расстоянии 0,25 м от опоры поставим гирю весом 8 Н. Естественно, конец рычага под действием веса гири опустится. Теперь надавим на свободный конец рычага динамометром и поднимем гирю так, чтобы рычаг установился горизонтально. При этом динамометр покажет силу, равную 4 Н.
Так почему же неравные силы, которые приложены к рычагу, удерживают его в равновесии? Все потому, что результат действия силы на рычаг определяется не только ее модулем, но и расстоянием от точки опоры до линии действия силы.
Расстояние от точки опоры до прямой, вдоль которой действует сила, называется плечом этой силы.
Рассмотрим схему данного опыта.
Кроме сил F1 и F2, плечи которых обозначены, как l1 и l2, на рычаг будут действовать еще две силы — сила тяжести рычага и сила упругости опоры.
Как видно из рисунка, плечи этих сил равны нулю, поэтому на равновесие рычага они не влияют. Теперь сравним силы F1 и F2 и их плечи. Сила F2 в два раза меньше силы F1, а плечо силы F2 в два раза больше плеча силы F1.
Что произойдет, если плечо силы F2 увеличить, скажем, в 5 или 25 раз? То и сила уменьшилась бы в 5 или 25 раз. Т.е., чем больше плечо, тем меньше сила, с помощью которой можно поднять груз, лежащий на противоположной от опоры части рычага.
Первое письменное объяснение равновесия рычага было дано в третьем веке до нашей эры древнегреческим ученым Архимедом, который впервые смог связать понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный Архимедом, до сих пор используется и звучит так: рычаг находится в равновесии при условии, что приложенные к нему силы обратно пропорциональны длинам их плеч.
– условие равновесия рычага
По легенде, осознав значимость своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!». Правда, сделать это при своей жизни Архимед бы не смог. Да и сейчас тоже. Все дело в том, что для поднятия нашей планеты хотя бы на один сантиметр, требуется неимоверно длинный рычаг, который пришлось бы двигать в течение нескольких десятков миллионов лет со скоростью 1 см в минуту.
Задача 1. На одном конце линейки длиной 100 см подвешена гиря массой 500 г. Посередине линейки снизу находится опора, относительно которой линейка может свободно поворачиваться. Где надо подвесить второй груз массой 750 г, чтобы линейка находилась в равновесии?
Задача 2. На концах легкого стержня длиной 32 см подвешены грузы массами 40 г и 120 г. Где нужно подпереть стержень, чтобы он находился в равновесии?
– Простые механизмы, служат для преобразования механического действия на тело, позволяя изменить точку приложения силы, ее модуль и направление.
– Простые механизмы, как рычаг, блок, ворот, клин, наклонная плоскость и винт являются составными частями конструкций любых механических устройств.
– Рычаг – это любое твердое тело, которое может поворачиваться относительно неподвижной опоры или оси.
– Рычаги делятся на два вида — рычаг первого и рычаг второго рода.
– Рычагом первого рода называется рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону.
– Рычагом второго рода называется рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу.
– Плечо силы – это расстояние от точки опоры до прямой, вдоль которой действует сила.
– Условие равновесия рычага: рычаг находится в равновесии при условии, что приложенные к нему силы обратно пропорциональны длинам их плеч.
– Рычаг дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз плечо прилагаемой силы больше плеча веса удерживаемого груза.
Что это рычаг в физике? Принцип работы рычага. Виды рычагов
Физическое понятие о рычаге
Вам будет интересно: Что такое ржавчина и как с ней бороться: оксиды железа
На рисунке выше показан рассмотренный простой механизм, который является рычагом первого рода (см. ниже).
Историческая справка
Каждый школьник слышал уже в 7 классе о знаменитом рычаге Архимеда. Греческий философ утверждал, что при определенных размерах этого простого механизма он мог бы перевернуть нашу Землю, будь вторая такая планета, которую можно было бы использовать в качестве опоры. Архимеду действительно принадлежит большая заслуга в развитии статики, поскольку он смог экспериментально получить математическое равенство, которое в настоящее время носит название «Условия равновесия рычага».
Однако сам принцип рычага использовался задолго до нашей эры. Так, известно, что для забора воды из рек применялся этот простой механизм. Существуют исторические свидетельства, что при строительстве пирамид египтяне также применяли систему рычагов.
Принцип работы рычага
Познакомившись с вопросом, что такое рычаг в физике (это наипростейший механизм), перейдем к рассмотрению принципа, согласно которому с помощью рычага получается выигрыш в силе или в пути перемещения. Для этого вспомним, что в физике существует величина, которая называется моментом силы. Последний равен произведению плеча силы на модуль силы, то есть:
Если вспомнить статику, то второе условие равновесия системы твердых тел в ней гласит, что система не будет совершать вращательного движения, если сумма всех n моментов сил в ней равна нулевому значению. То есть:
Прежде чем переходить к формулировке условия равновесия рычага, отметим, что момент силы, который стремится повернуть систему против часовой стрелки, является положительным. Противоположный ему момент будет отрицательным.
Выше показан рычаг, на который оказывают действие внешняя сила F и сила нагрузки R. Учитывая значение плеч сил и направления моментов, можно записать следующее равенство:
Откуда получаем условие равновесия рычага, полученное еще Архимедом:
Это условие говорит о том, что чем длиннее плечо dF, тем меньшую силу F следует приложить, чтобы поднять вес R. При этом высота подъема этого веса будет меньше, чем высота, на которую опустится плечо dF. Таким образом, при dF>dR получается выигрыш в силе, но проигрыш в пути. При обратном соотношении плеч получится выигрыш уже в пути, но силу F придется приложить большей величины, чем вес R.
Таким образом рычаг можно применять как для подъема тяжестей, так и для сообщения скорости телу весом R. Последнее раньше использовалось в катапультах.
Виды рычагов и примеры
В зависимости от положения опоры и порядка расположения действующих на балку сил рычаги бывают трех родов. Расскажем кратко об особенностях каждого из них.
В качестве рычагов третьего рода можно привести в пример рыбацкую удочку, пинцет или столовую вилку.
Правило рычага. Формулировка и формула
Рычаг представляет собой один из простых механизмов, который служил и продолжает служить людям для облегчения их физического труда. В статье рассмотрим, что такое рычаг, какие виды его бывают и где они применяются, а также поясним, в чем заключается правило рычага.
Рычаг в физике
Несмотря на то что речь идет о простом механизме, он все же имеет свои составные части. Во-первых, это балка или доска, которая предназначена для воздействия на нее двух противоположных сил. Во-вторых, это опора, которая, с геометрической точки зрения, представляет собой ось вращения, вокруг которой может двигаться балка. В зависимости от расположения опоры под балкой различают три типа рычага, которые будут рассмотрены ниже.
Вам будет интересно: Военная немецкая техника Второй мировой войны
Еще одним важным понятием для любого рычага является «плечо». Под ним понимают часть балки, которая находится между ее концом и опорой при условии, что воздействующие силы приложены к концам балки. Длина плеча играет важную роль при определении условий равновесия рычага.
Рычаг предназначен для преобразования силы в перемещение или, наоборот, перемещения в силу. Другими словами, рассматриваемый простой механизм, используется для перераспределения работы, которую следует выполнить, в пользу приложенной силы или в пользу осуществляемого перемещения. Рисунок ниже показывает пример рычага первого рода.
Когда человечество начало использовать рычаг?
Вам будет интересно: Рычаг: условие равновесия. Условие равновесия рычага: формула
Ответить уверенно на этот вопрос нельзя. Известно, что рычаги с древнейших времен использовались в Месопотамии и Древнем Египте для подъема тар с водой из колодцев и рек.
Единственным письменным свидетельством, которое сохранилось до наших дней, свидетельствующим об использовании рассматриваемого механизма, является всем известный рычаг Архимеда. В работе Плутарха «Параллельные жизни» (100 год до н. э.) говорится, что Архимед в одиночку смог поднять корабль с грузом и пассажирами над поверхностью воды. При этом философ использовал систему блоков и рычагов.
Если подойти к поставленному в названии пункта вопросу более строго, то можно сказать, что человек пользуется рычагом с момента собственного появления в этом мире, ведь наши предплечья и плечи работают по принципу этого простого механизма.
Понятие о моменте силы
Прежде чем переходить к формулировке правила равновесия рычага, рассмотрим понятие крутящего момента или момента силы. В физике под ним понимают величину, равную произведению плеча силы на саму силу. Математически это записывается так:
Физический смысл величины M заключается в отражении способности силы F совершить поворот системы вокруг оси. На практике эту способность можно ощутить, если попытаться открутить гайку не гаечным ключом, а руками, или же если постараться открыть дверь не за ручку, а толкая ее вблизи навесных петель.
Моменты сил и правило рычага
Рассмотрим классический рычаг с двумя плечами, когда опора находится вдали от концов балки. Пример такого механизма изображен ниже.
Мы видим, что когда этот рычаг применяют для совершения физической работы, то на него действует две силы:
В большинстве случаев сила F создается усилием человека, а сила R представляет собой вес некоторого груза.
Рассматриваемый рычаг будет находиться в равновесии, и перестанет испытывать вращение только тогда, когда сумма действующих на него моментов будет равна нулю. Используя обозначения рисунка выше, и применяя формулу для M, запишем правило равновесия рычага:
Заметим, что момент силы F записан со знаком минус, поскольку он стремится повернуть плечо рычага по часовой стрелке. Остается перенести второй член в правую часть равенства, чтобы записать правило рычага:
Таким образом, равенство моментов силы действия F и силы противодействия R является достаточным условием равновесия рассматриваемого простого механизма.
Кто установил правило равновесия рычага? Этот вопрос отчасти пересекается с рассмотренным выше историческим. Поскольку сохранились только письменные свидетельства научной деятельности Архимеда, связанной с этим механизмом, то именно он в настоящее время считается тем философом, кто установил правило рычага.
Равновесие рассматриваемой системы обеспечивается не только равенством нулю суммы моментов, но также равенством нулю всех действующих сил. Выше были названы лишь две силы (F и R). На самом же деле существует еще сила реакции опоры, направленная против сил F и R. Реакцию опоры момента силы не создает ввиду нулевой длины ее плеча.
Выигрыш и проигрыш в использовании рычага
Заметим, что в формуле правила рычага стоят значения моментов. Никакого отношения к работе они не имеют. Момент силы выполняет работу только тогда, когда система за счет его действия поворачивается вокруг оси на некоторый угол.
Виды рычагов
Выше уже упоминалось, что все рычаги относятся к одному из трех типов. В основе классификации лежит относительное расположение сил R, F и опоры. Охарактеризуем все три типа:
Простой механизм блок
Как видно, выигрыша в силе и пути не происходит, однако неподвижный блок позволяет изменить направление воздействующей силы F.
Применение правила равновесия рычага к блоку производят, когда требуется рассчитать выигрыш в силе при использовании подвижных блоков. Один такой блок позволяет выиграть в 2 раза в силе и во столько же раз проиграть в пути.
Решение задачи
Воспользуемся правилом рычага, получим:
m = 3*F/g = 3*200/9,81 ≈ 61 кг.
Отметим, что сила F = 200 Н равна весу тела массой всего 20,4 кг. Таким образом, данная ручная тачка позволяет выиграть в 3 раза в силе.