U Moderna tehnologija Za prijenos robe na gradilištima i poduzećima naširoko se koriste mehanizmi za podizanje koji su neophodni komponente koji se mogu nazvati jednostavnim mehanizmima. Među njima su najstariji izumi čovječanstva: blok i poluga. Starogrčki znanstvenik Arhimed olakšao je čovjeku posao tako što mu je primjenom svog izuma dao dobitak na snazi, te ga naučio mijenjati smjer sile.

Blok je kotač s utorom po obodu za uže ili lanac, čija je os kruto pričvršćena na zidnu ili stropnu gredu.

Uređaji za podizanje obično koriste ne jedan, već nekoliko blokova. Sustav blokova i kabela dizajniran za povećanje nosivosti naziva se lančana dizalica.

Pokretni i fiksni blok isti su drevni jednostavni mehanizmi kao i poluga. Već 212. godine prije Krista Sirakužani su uz pomoć kuka i hvataljki spojenih na blokove oteli Rimljanima opsadnu opremu. Gradnju vojnih vozila i obranu grada vodio je Arhimed.

Arhimed je fiksni blok smatrao ravnokrakom polugom.

Moment sile koji djeluje na jednu stranu bloka jednak je momentu sile koji djeluje na drugu stranu bloka. Sile koje stvaraju te trenutke također su iste.

Nema dobitka na snazi, ali takav blok omogućuje promjenu smjera sile, što je ponekad potrebno.

Arhimed je pokretni blok uzeo kao nejednakokraku polugu, koja daje dvostruki dobitak na snazi. U odnosu na središte rotacije djeluju momenti sila koji u ravnoteži moraju biti jednaki.

Arhimed je proučavao mehanička svojstva pokretnog bloka i primijenio ih u praksi. Prema Ateneju, "izmišljene su mnoge metode za porinuće gigantskog broda koji je sagradio sirakuški tiranin Hieron, ali je mehaničar Arhimed, koristeći jednostavne mehanizme, sam uspio pomaknuti brod uz pomoć nekoliko ljudi. Arhimed je smislio blok i uz pomoć njega porinuo ogroman brod.” .

Blok ne daje nikakav dobitak u radu, što potvrđuje zlatno pravilo mehanike. To je lako provjeriti obraćanjem pozornosti na prijeđene udaljenosti ruke i težinu.

Sportski jedrenjaci, poput jedrilica iz prošlosti, ne mogu bez blokova pri postavljanju i upravljanju jedrima. Moderni brodovi trebaju blokove za podizanje signala i čamaca.

Ova kombinacija pokretnih i fiksnih jedinica na elektrificiranoj liniji željeznička pruga za podešavanje napetosti žice.

Ovaj sustav blokova mogu koristiti piloti jedrilica za podizanje svojih uređaja u zrak.

Blokovi se klasificiraju kao jednostavni mehanizmi. Osim blokova, u skupinu ovih uređaja koji služe za pretvaranje sile spadaju poluga i kosa ravnina.

DEFINICIJA

Blok - čvrsta, koji ima mogućnost rotacije oko fiksne osi.

Blokovi se izrađuju u obliku diskova (kotača, niskih cilindara itd.) koji imaju utor kroz koji se provlači uže (torzo, uže, lanac).

Blok s fiksnom osi naziva se stacionarnim (slika 1). Ne miče se prilikom podizanja tereta. Fiksni blok se može zamisliti kao poluga koja ima jednake krake.

Uvjet za ravnotežu bloka je uvjet za ravnotežu momenata sila koji djeluju na njega:

Blok na slici 1 bit će u ravnoteži ako su sile zatezanja niti jednake:

budući da su ramena tih sila jednaka (OA=OB). Stacionarni blok ne daje dobitak na snazi, ali vam omogućuje promjenu smjera sile. Povlačenje užeta koje dolazi odozgo često je praktičnije nego povlačenje užeta koje dolazi odozdo.

Ako je masa tereta vezanog za jedan kraj užeta bačenog preko učvršćenog bloka jednaka m, tada da bi se podigao, na drugi kraj užeta treba djelovati sila F jednaka:

s tim da ne uzmemo u obzir silu trenja u bloku. Ako je potrebno uzeti u obzir trenje u bloku, tada se upisuje koeficijent otpora (k), zatim:

Glatka, fiksna potpora može poslužiti kao zamjena za blok. Preko takvog oslonca nabacuje se uže (uže) koje klizi po osloncu, ali se pritom povećava sila trenja.

Stacionarni blok ne daje nikakvu dobit u radu. Putovi koje prolaze točke primjene sila su isti, jednaki sili, dakle jednaki radu.

Kako bi se dobila čvrstoća korištenjem fiksnih blokova, koristi se kombinacija blokova, na primjer, dvostruki blok. Kada blokovi moraju imati različitih promjera. Oni su nepomično povezani jedan s drugim i montirani na jednoj osi. Uže je pričvršćeno za svaki blok tako da se može omotati oko ili izvan bloka bez klizanja. Ramena snaga u ovom će slučaju biti nejednaka. Dvostruka remenica djeluje kao poluga s krakovima različitih duljina. Slika 2 prikazuje dijagram dvostrukog bloka.

Uvjet ravnoteže za polugu na slici 2 bit će formula:

Dvostruki blok može pretvoriti silu. Djelovanjem manje sile na uže omotano oko bloka velikog radijusa, dobiva se sila koja djeluje sa strane užeta omotanog oko bloka manjeg radijusa.

Pokretni blok je blok čija se os kreće zajedno s teretom. Na sl. 2, pomični blok se može smatrati polugom s krakovima različitih veličina. U ovom slučaju točka O je uporište poluge. OA - krak sile; OB - krak sile. Pogledajmo sl. 3. Krak sile je dvostruko veći od kraka sile, stoga je za ravnotežu potrebno da veličina sile F bude pola veličine sile P:

Možemo zaključiti da uz pomoć pokretnog bloka dobivamo dvostruki dobitak na snazi. Uvjet ravnoteže pokretnog bloka bez uzimanja u obzir sile trenja zapisujemo kao:

Ako pokušamo uzeti u obzir silu trenja u bloku, tada unesemo koeficijent otpora bloka (k) i dobijemo:

Ponekad se koristi kombinacija pokretnog i fiksnog bloka. U ovoj se kombinaciji radi praktičnosti koristi fiksni blok. Ne daje dobitak na snazi, ali vam omogućuje promjenu smjera sile. Pomični blok koristi se za promjenu količine primijenjene sile. Ako krajevi užeta koji okružuju blok čine jednake kutove s horizontom, tada je omjer sile koja djeluje na teret i težine tijela jednak omjeru polumjera bloka i tetive luka koji uže obuhvaća. Ako su užad paralelna, sila potrebna za podizanje tereta bit će dva puta manja od težine tereta koji se podiže.

Zlatno pravilo mehanike

Jednostavni mehanizmi nema dobiti u radu. Koliko god dobijemo na snazi, toliko izgubimo na udaljenosti. Budući da je rad jednak skalarnom umnošku sile i pomaka, neće se promijeniti pri korištenju pokretnih (kao i nepokretnih) blokova.

U obliku formule, “zlatno pravilo” može se napisati na sljedeći način:

gdje je put koji prijeđe točka primjene sile – put prohodan po točki primjena sile.

zlatno pravilo je najjednostavnija formulacija zakona održanja energije. Ovo pravilo vrijedi za slučajeve jednolikog ili gotovo jednolikog kretanja mehanizama. Translacijske udaljenosti krajeva užadi povezane su s polumjerima blokova ( i ) kao:

Shvaćamo da je za ispunjenje “zlatnog pravila” za dvostruki blok potrebno:

Ako su sile uravnotežene, tada blok miruje ili se giba jednoliko.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

PRIMJER 2

Bibliografski opis: Shumeiko A.V., Vetashenko O.G. Moderni pogled na jednostavan "blok" mehanizam, proučavan u udžbenicima fizike za 7. razred // Mladi znanstvenik. 2016. br. 2. Str. 106-113..07.2019).

Udžbenici fizike za 7. razred, kada se proučava jednostavan blok mehanizam, tumače pobjedu na različite načine sila pri dizanju tereta od koristeći ovaj mehanizam, na primjer: u Periškinov udžbenik A. B. dobitak u snaga se postiže sa pomoću kotača bloka, na koji djeluju sile poluge, i u Gendensteinovom udžbeniku L. E. isti dobici se dobivaju sa pomoću kabela, koji je podložan sili zatezanja kabela. Različiti udžbenici, različiti predmeti i različite sile - primati dobitke sila pri dizanju tereta. Stoga je svrha ovog članka traženje objekata i snaga, sa putem kojih se stječu dobici sila, pri dizanju tereta jednostavnim blok mehanizmom.

Ključne riječi:

Najprije pogledajmo i usporedimo kako se dobiva dobitak u snazi ​​pri dizanju tereta jednostavnim blok mehanizmom, u udžbenicima fizike za 7. razred. U tu svrhu ćemo ulomke iz udžbeničkih tekstova s ​​istim pojmovima smjestiti u tablicu radi jasnoće.

Rezimirajmo pregled i usporedbu tekstova i slika u udžbenicima:

Dokaz dobivanja dobitka na snazi ​​u udžbeniku A. V. Peryshkina provodi se na kotaču bloka, a djelujuća sila je sila poluge; Pri podizanju tereta, nepomični blok ne daje dobitak na snazi, ali pomični blok daje dvostruki dobitak na snazi. Ne spominje se sajla na kojoj visi teret o fiksnom bloku i pokretnom bloku s teretom.

S druge strane, u udžbeniku Gendensteina L.E., dokaz pojačanja na snazi ​​provodi se na sajli na kojoj visi teret ili pomični blok s teretom, a sila koja djeluje je sila zatezanja sajle; pri dizanju tereta, nepomični blok može dati 2 puta povećanje snage, ali u tekstu se ne spominje poluga na blok kotaču.

Potraga za literaturom koja opisuje dobitak na snazi ​​korištenjem bloka i kabela dovela je do “Elementarnog udžbenika fizike”, koji je uredio akademik G. S. Landsberg, u §84. Jednostavni strojevi na str. 168–175 opisuju: "jednostavni blok, dvostruki blok, vrata, remenice i diferencijalni blok." Dapače, po svojoj konstrukciji, “dvostruki blok daje dobitak na snazi ​​pri dizanju tereta, zbog razlike u duljini polumjera blokova” uz pomoć kojih se podiže teret, a “kolotura daje dobitak na snazi ​​pri dizanju tereta, zbog užeta na čijem više dijelova visi teret.” Tako je bilo moguće saznati zašto blok i sajla (uže) daju dobitak na snazi ​​pri dizanju tereta, ali nije bilo moguće saznati kako blok i sajla međusobno djeluju i prenose težinu tereta. tereta jedan prema drugom, budući da se teret može objesiti na sajlu, a sajla se baci preko bloka ili teret može visiti na bloku, a blok visi na sajli. Pokazalo se da je sila napetosti kabela konstantna i djeluje duž cijele duljine kabela, tako da će prijenos težine tereta kabela na blok biti na svakoj točki kontakta između kabela i bloka , kao i prijenos težine tereta obješenog na blok na kabel. Kako bismo razjasnili interakciju bloka s kabelom, provest ćemo eksperimente kako bismo dobili dobitak na snazi ​​s pokretnim blokom pri dizanju tereta, koristeći opremu školske učionice za fiziku: dinamometre, laboratorijske blokove i set utega u 1N (102 g). Počnimo eksperimente s pokretnim blokom, jer ih imamo tri različite verzije dobitak na snazi ​​s ovim blokom. Prva verzija je “Sl.180. Pokretni blok kao poluga s nejednakim kracima" - udžbenik A. V. Peryshkin, drugi "Sl. 24.5... dvije jednake sile napetosti sajle F" - prema udžbeniku L. E. Gendensteina i na kraju treći "Sl. 145 . Povucite blok" . Podizanje tereta pomičnim stezaljkom kolotura na više dijelova jednog užeta – prema udžbeniku G. S. Landsberga.

Iskustvo br. 1. "Sl. 183"

Za izvođenje eksperimenta br. 1, dobivanje dobitka u snazi ​​na pokretnom bloku "s polugom s nejednakim ramenima OAB Slika 180" prema udžbeniku A. V. Peryshkina, na pokretnom bloku "Slika 183" položaj 1, nacrtajte polugu s nejednakim ramenima OAB, kao na "Slici 180", i počnite podizati teret iz položaja 1 u položaj 2. U istom trenutku, blok se počinje okretati, suprotno od kazaljke na satu, oko svoje osi u točki A i točki B , kraj poluge iza koje se javlja podizanje, izlazi izvan polukruga duž kojeg kabel obilazi pokretni blok odozdo. Točka O - uporište poluge, koja bi trebala mirovati, ide prema dolje, vidi “slika 183” - pozicija 2, tj. poluga s nejednakim ramenima OAB se mijenja kao poluga s jednakim ramenima (točke O i B prolaze kroz iste staze).

Na temelju podataka dobivenih u pokusu br. 1 o promjenama položaja poluge OAB na pokretnom bloku pri dizanju tereta iz položaja 1 u položaj 2, možemo zaključiti da je prikaz pokretnog bloka kao poluge s nejednakim kracima. na "Slici 180", pri dizanju tereta, uz rotaciju bloka oko svoje osi, odgovara poluga s jednakim kracima, koja ne daje dobitak na snazi ​​pri dizanju tereta.

Pokus br. 2 započet ćemo pričvršćivanjem dinamometra na krajeve sajle na koju ćemo objesiti pokretni blok s teretom težine 102 g, što odgovara sili teže od 1 N. Jedan od krajeva kabla ćemo učvrstiti. sajlu na ovjesu, a drugim krajem sajle podići ćemo teret na pokretni blok. Prije izrona očitanja oba dinamometra bila su po 0,5 N; na početku izrona očitanja dinamometra za koji je došlo do izrona promijenila su se na 0,6 N i takva su ostala tijekom izrona; na kraju izrona očitanja su se vratila na 0,5 N. Očitanja dinamometra, fiksirana za fiksni ovjes, nisu se promijenila tijekom uspona i ostala su jednaka 0,5 N. Analizirajmo rezultate eksperimenta:

1. Prije podizanja, kada teret od 1 N (102 g) visi na pokretnom bloku, težina tereta se raspoređuje na cijeli kotač i prenosi na sajlu koja obilazi blok odozdo, koristeći cijeli polukrug kotača. kotač.
2. Prije podizanja očitanja oba dinamometra iznose 0,5 N, što pokazuje raspodjelu težine tereta od 1 N (102 g) na dva dijela sajle (prije i poslije bloka) odnosno da je sila zatezanja sajle iznosi 0,5 N, a jednaka je cijelom dužinom sajle (jednaka na početku, ista na kraju sajle) - obje ove tvrdnje su točne.

Usporedimo analizu pokusa br. 2 s verzijama iz udžbenika o dobivanju dvostrukog povećanja snage korištenjem pokretnog bloka. Počnimo s izjavom u udžbeniku Gendensteina L.E. „... da na blok djeluju tri sile: težina tereta P, usmjerena prema dolje, i dvije identične sile zatezanja kabela, usmjerene prema gore (Sl. 24.5) .” Točnije bi bilo reći da je težina tereta na „sl. 14,5" raspoređen je na dva dijela sajle, prije i iza bloka, jer je sila zatezanja sajle jednaka jedinici. Ostaje analizirati potpis pod "Sl. 181" iz udžbenika A. V. Peryshkina "Kombinacija pokretnih i fiksnih blokova - blok remenica." Opis uređaja i dobitak na snazi ​​pri dizanju tereta koloturom dan je u Osnovnom udžbeniku fizike, ur. Lansberg G.S. gdje je rečeno: „Svaki komad užeta između blokova djelovat će na pokretni teret silom T, a svi dijelovi užeta djelovat će silom nT, gdje je n broj odvojenih dijelova užeta koji povezuju oba dijelovi bloka." Ispada da ako na "Sliku 181" primijenimo pojačanje na snazi ​​s "užetom koje povezuje oba dijela" remenice iz Osnovnog udžbenika fizike G. S. Landsberga, tada opis pojačanja na snazi ​​s pokretnim blokom na “Slici 179” i, prema tome, na slici 180" bila bi pogreška.

Analizirajući četiri udžbenika fizike, možemo zaključiti da postojeći opis dobivanja dobitka na snazi ​​jednostavnim blok mehanizmom ne odgovara stvarno stanje poslova i stoga zahtijeva novi opis rada jednostavnog blok mehanizma.

Jednostavan mehanizam za podizanje sastoji se od bloka i sajle (konopa ili lanca).

Blokovi ovog mehanizma za podizanje podijeljeni su na:

po dizajnu na jednostavne i složene;

prema načinu dizanja tereta na pokretne i nepokretne.

Počnimo se upoznavati s dizajnom blokova jednostavan blok, koji je kotač koji se okreće oko svoje osi, s utorom po obodu za sajlu (uže, lanac) sl. 1 i može se smatrati jednakokrakom polugom u kojoj su krakovi sila jednaki polumjeru kotač: OA=OB=r. Takav blok ne daje dobitak na snazi, ali vam omogućuje promjenu smjera kretanja kabela (konopa, lanca).

Dvostruki blok sastoji se od dva bloka različitih radijusa, čvrsto pričvršćenih zajedno i postavljenih na zajedničku os na sl. 2. Polumjeri blokova r1 i r2 su različiti i pri dizanju tereta djeluju kao poluga s nejednakim ramenima, a dobitak na snazi ​​bit će jednak omjeru duljina polumjera bloka većeg promjera prema blok manjeg promjera F = R·r1/r2.

Vrata sastoji se od cilindra (bubnja) i na njega pričvršćene ručke, koja djeluje kao blok velikog promjera. Dobitak sile koju daje ovratnik određen je omjerom polumjera kruga R koji opisuje ručka i polumjera valjka r na koji je namotano uže F = R r/ R.

Prijeđimo na metodu podizanja tereta blokovima. Prema opisu dizajna, svi blokovi imaju os oko koje se okreću. Ako je os bloka fiksna i ne diže se ili spušta pri dizanju tereta, tada se takav blok naziva fiksni blok jednostruki blok, dvostruki blok, vrata.

U pokretni blok osovina se diže i spušta zajedno s teretom (slika 10) i namijenjena je uglavnom za uklanjanje savijanja sajle na mjestu gdje je teret obješen.

Upoznajmo se s uređajem i načinom podizanja tereta; drugi dio jednostavnog mehanizma za podizanje je kabel, uže ili lanac. Sajla je izrađena od čeličnih žica, uže je od niti ili niti, a lanac se sastoji od međusobno povezanih karika.

Metode vješanja tereta i dobivanja snage pri dizanju tereta sajlom:

Na sl. 4, teret je fiksiran na jednom kraju kabela, a ako podignete teret za drugi kraj kabela, tada će vam za podizanje ovog tereta trebati sila nešto veća od težine tereta, jer jednostavan blok dobitka na snazi ​​ne daje F = P.

Na slici 5 radnik podiže teret sajlom koja odozgo obilazi jednostavan blok, na jednom kraju prvog dijela sajle nalazi se sjedalo na kojem radnik sjedi, a na drugom dijelu sajle radnik se podiže silom 2 puta manjom od svoje težine, jer je težina radnika bila raspoređena na dva dijela sajle, prvi - od sjedala do bloka, a drugi - od bloka do ruku radnika F = P/2.

Na sl. 6 teret podižu dva radnika pomoću dvije sajle, a težina tereta će biti ravnomjerno raspoređena između sajli i stoga će svaki radnik podizati teret silom polovice težine tereta F = P/ 2.

Na slici 7, radnici podižu teret koji visi na dva dijela jednog sajle i težina tereta će biti ravnomjerno raspoređena između dijelova ove sajle (kao između dvije sajle) i svaki radnik će podići teret silom jednaka polovini težine tereta F = P/2.

Na sl. 8. kraj sajle, kojom je jedan od radnika podizao teret, bio je učvršćen na nepokretnom ovjesu, a težina tereta bila je raspoređena na dva dijela sajle, a kada je radnik podizao tereta drugim krajem sajle, sila kojom bi radnik podigao teret udvostručila se manje težine teret F = P/2 i podizanje tereta će biti 2 puta sporije.

Na sl. 9, teret visi na 3 dijela jedne sajle, čiji je jedan kraj fiksiran i dobitak u sili pri dizanju tereta bit će jednak 3, budući da će težina tereta biti raspoređena na tri dijela kabel F = P/3.

Da bi se eliminirao zavoj i smanjila sila trenja, jednostavni blok je instaliran na mjestu gdje je teret suspendiran, a sila potrebna za podizanje tereta nije se promijenila, budući da jednostavni blok ne daje dobitak na snazi ​​(slika 10. i sl. 11), a sam blok će biti pozvan pokretni blok, budući da se os ovog bloka diže i spušta zajedno s opterećenjem.

Teoretski se teret može objesiti na neograničen broj dijelova jedne sajle, ali u praksi su oni ograničeni na šest dijelova i takav mehanizam za podizanje naziva se lančana dizalica, koji se sastoji od fiksnih i pokretnih isječaka s jednostavni blokovi, koji se naizmjenično omotavaju oko sajle, čiji je jedan kraj pričvršćen za fiksnu stezaljku, a teret se podiže pomoću drugog kraja sajle. Dobitak na čvrstoći ovisi o broju dijelova kabela između fiksnog i pomičnog kaveza, u pravilu je to 6 dijelova kabela, a dobitak na čvrstoći je 6 puta.

Članak ispituje stvarne interakcije između blokova i sajle prilikom podizanja tereta. Postojeća praksa u određivanju da "fiksni blok ne daje dobitak na snazi, ali pomični blok daje dobitak na snazi ​​2 puta" pogrešno je tumačila interakciju kabela i bloka u mehanizam za podizanje i nije odražavao punu raznolikost dizajna blokova, što je dovelo do razvoja jednostranih pogrešnih ideja o bloku. U usporedbi s postojećim količinama materijala za proučavanje jednostavnog blok mehanizma, obujam članka povećao se 2 puta, ali to je omogućilo jasno i razumljivo objašnjenje procesa koji se odvijaju u jednostavnom mehanizmu za podizanje ne samo studentima, već i učiteljima.

Književnost:

1. Pyryshkin, A. V. Fizika, 7. razred: udžbenik / A. V. Pyryshkin. - 3. izdanje, dodatno - M.: Bustard, 2014., - 224 str.,: ilustr. ISBN 978–5-358–14436–1. § 61. Primjena pravila ravnoteže poluge na blok, str. 181–183.
2. Gendenstein, L. E. Fizika. 7. razred. U 14 sati 1. dio.Udžbenik za obrazovne ustanove/ L. E. Gendenshten, A. B. Kaidalov, V. B. Kozhevnikov; uredio V. A. Orlova, I. I. Roizen.- 2. izdanje, revidirano. - M.: Mnemosyne, 2010.-254 str.: ilustr. ISBN 978–5-346–01453–9. § 24. Jednostavni mehanizmi, str. 188–196.
3. Osnovni udžbenik fizike, uredio akademik G. S. Landsberg Svezak 1. Mehanika. Toplina. Molekularna fizika - 10. izdanje - M.: Nauka, 1985. § 84. Jednostavni strojevi, str. 168–175.
4. Gromov, S. V. Fizika: Udžbenik. za 7. razred opće obrazovanje institucije / S. V. Gromov, N. A. Rodina. - 3. izd. - M.: Obrazovanje, 2001.-158 str.,: ilustr. ISBN-5–09–010349–6. §22. Blok, str.55 -57.

Ključne riječi: blok, dvostruki blok, fiksni blok, pomični blok, blok remenica..

Napomena: Udžbenici fizike za 7. razred, kada se proučava jednostavan blok mehanizam, na različite načine tumače dobitak na snazi ​​pri dizanju tereta pomoću ovog mehanizma, na primjer: u udžbeniku A. V. Peryshkin, dobitak na snazi ​​se postiže pomoću kotača blok, na koji djeluju sile poluge, a u udžbeniku Gendensteina L.E. isti dobitak dobiva se uz pomoć sajle, na koju djeluje sila zatezanja sajle. Različiti udžbenici, različiti predmeti i različite sile - da se dobije dobitak u snazi ​​pri dizanju tereta. Stoga je svrha ovog članka potraga za objektima i silama uz pomoć kojih se postiže dobitak na snazi ​​pri dizanju tereta jednostavnim blok mehanizmom.