Под термином "блок" понимается некоторое механическое устройство, представляющее из себя ролик, который закреплен на перпендикулярной оси. Этот ролик или может свободно перемещаться, или напротив – закреплен жестко. Упростим определение - если ось вращения ролика перемещается в пространстве, то блок подвижный. На ролике есть желобок, в который вставляется веревка или трос. Картинка ниже демонстрирует внешний вид блока.
Если ролик закреплен, например, на потолке - это неподвижный блок. Если ролик перемещается вместе с грузом – это подвижный блок. В общем смысле разница только в этом.
Смысл использования подвижного блока – выигрыш в силе при подъеме или перемещении грузов и физических тел. Неподвижный же блок выигрыша не даёт, однако часто сильно упрощает перемещение тела и используется в системах совместно с подвижным блоком.
Применение подвижного и неподвижного блоков
Система блоков встречается повсеместно. Это и подъемные краны, и различные устройства для перемещения грузов в гараже, и даже приводные ремни в современном автомобиле. Часто блок используется даже без четкого понимания того, что это тот самый механизм.
Наверняка на строительных площадках вам встречались подвижные колесики, закрепленные на верхних этажах строящегося дома. Через такое колесо перекинута веревка или цепь и рабочий, закрепляя ведро на первом этаже, поднимает его на верхний этаж, перемещая веревку. Это простой пример использования неподвижного блока. Если же к ведру добавить ещё одно колесико, то получится система блоков - подвижный и неподвижный.
Ещё один более редкий пример использования неподвижного блока. Когда человек вытаскивает из грязи автомобиль, обернув буксировочный трос вокруг ствола дерева. Делается это для большего удобства, поскольку буксировочная лебедка легко зацепится за небольшой конец троса, обернутого вокруг ствола. От самого такого блока выигрыша нет, да и поскольку дерево не вращается вокург своей оси, сила сопротивления увеличивает нагрузку.
Примеров использования этих простых механизмов вокруг нас очень много.
Самое известное устройство, которое работает на принципе блоков - это полиспаст. Оно активно применяется в подъемных механизмах. Система блоков уменьшает силу и общая работа сокращается в 4-8 раз.
Решение задач с подвижным и неподвижным блоками
В задачах по физике часто необходимо определить, какой суммарный выигрыш в силе будет получен при использовании блоков. Ученику предлагается сложная схема, где соединены подряд несколько блоков разного типа.
Ключ к решению
подобных задач лежит в умении разобраться во взаимодействии этих устройств. Каждый блок рассчитывается отдельно, а затем добавляется в общую формулу. Расчётная формула для всей задачи составляется согласно схеме, которую нарисовал ученик, читая условие.
Для лучшего понимания подобных задач следует помнить, что блок – это своеобразный рычаг . Выигранная сила даёт потерю в расстоянии (в случае подвижного блока).
Расчётная формула очень простая.
Для неподвижного блока F=fmg, где F – это сила, f – коэффициент сопротивления блока, m – масса груза, g – гравитационная постоянная. Иными словами, F – это та сила, которую нужно приложить, чтобы поднять, например, ящик с земли с использованием неподвижного блока. Как видите, зависимость прямая и коэффициента нет.
Для подвижного блока мы имеем двукратный выигрыш в силе. Расчётная формулаF=0,5fmg, где буквенные обозначения аналогичны формуле чуть выше. Соответственно, при использовании подвижного блока, такой ящик с массой m будет поднять в два раза легче с блоком, чем с использованием одной лишь только собственной спины.
Обратите внимание, что коэффициент сопротивления – это то противодействие, которое возникает в блоке при перемещении по нему веревки. Обычно эти величины заданы в условии задачи или являются табличной величиной. Иногда в школьных задачах эти коэффициенты вовсе опускаются и не учитываются.
Кроме того, не нужно забывать, что если сила прилагается под углом, то нужно использовать стандартную методику расчёта треугольника сил
. Если в задаче сказано, что человек тянет груз за веревку, которая находится под 30 градусами к линии горизонта, то это безусловно должно быть учтено и обозначено на расчётной схеме.
Грузоподъемные машины призваны помочь человеку поднять что-либо тяжелое на высоту. В основе большинства подъемных механизмов лежит простая система блоков – полиспаст. Он был знаком еще Архимеду, но сейчас об этом гениальном изобретении многие не знают. Вспоминая курс физики, выясните, как работает такой механизм, его строение и область применения. Разобравшись в классификации, можно приступать к расчету. Чтобы все получилось – вашему вниманию инструкция по конструированию простой модели.
Изобретение полиспаста дало огромный толчок развитию цивилизаций. Система блоков помогла построить огромные сооружения, многие из которых сохранились по сей день и вызывают недоумение у современных строителей. Также совершенствовалось судостроение, люди смогли путешествовать на огромные расстояния. Пора разобраться, что это такое – полиспаст и выяснить, где можно найти ему применение сегодня.
Простота и эффективность механизма
Строение грузоподъемного механизма
Классический полиспаст представляет собой механизм, который состоит из двух основных элементов:
- шкив;
- гибкая связь.
Простейшая схема: 1 – подвижный блок, 2 – неподвижный, 3– канат
Шкив – это металлическое колесо, которое по внешнему краю имеет специальный желоб для троса. В качестве гибкой связи может применяться обычный трос или канат. Если груз будет достаточно тяжелый, используют тросы из синтетических волокон или стальные канаты и даже цепи. Для того чтобы шкив вращался легко, без скачков и заедания, используют роликовые подшипники. Все элементы, которые движутся, смазывают.
Один шкив называют блоком. Полиспаст – это система блоков для подъема грузов. Блоки в составе подъемного механизма могут быть неподвижными (жестко закрепленными) и подвижными (когда ось в процессе работы меняет положение). Одна часть полиспаста крепится к неподвижной опоре, другая – к грузу. Подвижные ролики располагаются на стороне груза.
Неподвижный блок
Роль неподвижного блока – изменение направления движения каната и действия прикладываемой силы. Роль подвижных – получение выигрыша в силе.
Подвижный блок
Принцип работы – в чем секрет
Принцип работы полиспаста подобен рычагу: усилие, которое необходимо приложить, становится меньше в несколько раз, при этом работа выполняется в том же объеме. Роль рычага играет трос. В работе полиспаста важен выигрыш в силе, поэтому возникающий проигрыш в расстоянии не принимается во внимание.
В зависимости от конструкции полиспаста, выигрыш в силе может быть разным. Простейший механизм из двух шкивов дает примерно двукратный выигрыш, из трех – трехкратный и так далее. По тому же принципу рассчитывается и увеличение расстояния. Для работы простого полиспаста нужен трос в два раза длиннее высоты подъема, а если используют комплекс из четырех блоков – то и длина троса увеличивается прямо пропорционально в четыре раза.
Принцип работы системы блоков
В каких областях применяется система блоков
Полиспаст – верный помощник на складе, на производстве, в транспортной сфере. Его используют везде, где нужно применять силу для перемещения всевозможных грузов. Система широко применяется в строительстве.
Несмотря на то что большую часть тяжелой работы выполняет строительная техника (подъемный кран), полиспасту нашлось место в конструкции грузозахватных механизмов. Система блоков (полиспаст) является составляющей таких подъемных механизмов, как лебедка, таль, строительная техника (краны разных типов, бульдозер, экскаватор).
Помимо строительной отрасли, полиспасты получили широкое применение в организации спасательных работ. Принцип работы остается прежним, но конструкция немного видоизменяется. Спасательное оборудование изготавливается из прочного троса, используются карабины. Для устройств такого назначения важно, чтобы вся система быстро собиралась и не требовала дополнительных механизмов.
Полиспаст в составе крюка подъемного крана
Классификация моделей по разным характеристикам
Существует множество исполнений одной задумки – системы блоков, объединенных канатом. Их дифференцируют в зависимости от способа применения и конструктивных особенностей. Познакомьтесь с разными типами подъемников, выясните, в чем заключается их назначение и чем отличается устройство.
Классификация в зависимости от сложности механизма
В зависимости от сложности механизма выделяют
- простые;
- сложные;
- комплексные полиспасты.
Пример четных моделей
Простой полиспаст представляет собой систему последовательно соединенных роликов. Все подвижные и неподвижные блоки, а также сам груз объединяются одним тросом. Дифференцируют четные и нечетные простые полиспасты.
Четными называют те грузоподъемные механизмы, чей конец троса крепится к неподвижной опоре – станции. Все комбинации в таком случае будут считаться четными. А если конец веревки прикреплен непосредственно к грузу или месту прикладывания усилия, эта конструкция и все производные от нее будут называться нечетными.
Схема нечетного полиспаста
Сложный полиспаст можно называть системой полиспастов. В этом случае последовательно соединяются не отдельные блоки, а целые комбинации, которые вполне могут использоваться сами по себе. Грубо говоря, в этом случае один механизм приводит в движение другой подобный.
Комплексный полиспаст не относится ни к одному, ни к другому виду. Его отличительная черта – ролики, движущиеся навстречу грузу. В состав комплексной модели могут входить как простые, так и сложные полиспасты.
Объединение двукратного и шестикратного простого полиспаста дает сложный шестикратный вариант
Классификация по назначению подъемника
В зависимости от того, что хотят получить при использовании полиспаста, их подразделяют на:
- силовые;
- скоростные.
А – силовой вариант, Б — скоростной
Силовой вариант используется чаще. Как следует из названия, его задача – обеспечить выигрыш в силе. Так как для значительного выигрыша нужны столь же значительные потери в расстоянии, неизбежны и потери в скорости. К примеру, для системы 4:1 при поднятии груза на один метр нужно натянуть 4 метра троса, что замедляет работу.
Скоростной полиспаст по своему принципу представляет собой обратную силовому конструкцию. Он не дает выигрыша в силе, его цель – скорость. Применяется для ускорения работы в ущерб прикладываемому усилию.
Кратность – основная характеристика
Основной показатель, на который обращают внимание при организации подъема грузов –кратность полиспаста. Этот параметр условно обозначает, во сколько раз механизм позволяет выиграть в силе. Фактически, кратность показывает, на сколько ветвей каната распределен вес груза.
Кинематическая кратность
Кратность подразделяют на кинематическую (равную количеству перегибов каната) и силовую, которая рассчитывается с учетом преодоления тросом силы трения и неидеальным КПД роликов. В справочниках приведены таблицы, которые отображают зависимость силовой кратности от кинематической при разных КПД блоков.
Как видно из таблицы, силовая кратность существенно отличается от кинематической. При низком КПД ролика (94%) фактический выигрыш в силе полиспаста 7:1 будет меньше выигрыша шестикратного полиспаста с КПД блоков 96%.
Схемы полиспастов разной кратности
Как производить расчеты для полиспаста
Несмотря на то что теоретически конструкция полиспаста предельно простая, на практике не всегда ясно, как поднять груз с помощью блоков. Как понять, какая кратность понадобится, как выяснить КПД подъемника и каждого блока в отдельности. Для того чтобы найти ответы на эти вопросы, нужно выполнить расчеты.
Расчет отдельного блока
Расчет полиспаста нужно выполнять из-за того, что условия работы далеки от идеальных. На механизм действуют силы трения в результате движения троса по шкиву, в результате вращения самого ролика, какие бы подшипники ни применялись.
Кроме того, на стройплощадке и в составе строительной техники редко применяется гибкая и податливая веревка. Стальной канат или цепь обладают гораздо большей жесткостью. Так как для сгибания такого троса при набегании на блок требуется дополнительное усилие, его тоже нужно обязательно учитывать.
Для расчета выводят уравнение моментов для шкива относительно оси:
SсбегR = SнабегR + q SнабегR + Nfr (1)
В формуле 1 показаны моменты таких сил:
- Sсбег – усилие со стороны сбегающего каната;
- Sнабег – усилие со стороны набегающего каната;
- q Sнабег – усилие, для сгибания/разгибания каната с учетом его жесткости q;
- Nf – сила трения в блоке, с учетом коэффициента трения f.
Для определения момента все силы умножаются на плечо – радиус блока R или радиус втулки r.
Сила набегающего и сбегающего троса возникает в результате взаимодействия и трения нитей каната. Поскольку сила для сгибания/разгибания троса существенно меньше остальных, вычисляя воздействие на ось блока, этим значением часто пренебрегают:
N = 2 Sнабег×sinα (2)
В этом уравнении:
- N – воздействие на ось шкива;
- Sнабег – усилие со стороны набегающего каната (принимается примерно равным Sсбег;
- α – угол отклонения от оси.
Блок полиспаста
Расчет полезного действия блока
Как известно, КПД – коэффициент полезного действия, то есть насколько результативна была выполненная работа. Его рассчитывают, как отношение выполненной и затраченной работ. В случае с блоком полиспаста применяется формула:
ηб = Sнабег/ Sсбег = 1/(1 + q + 2fsinα×d/D) (3)
В уравнении:
- 3 ηб – КПД блока;
- d и D – соответственно, диаметр втулки и самого шкива;
- q – коэффициент жесткости гибкой связи (каната);
- f – коэффициент трения;
- α – угол отклонения от оси.
Из этой формулы видно, что на КПД влияет строение блока (посредством коэффициента f), его размер (через отношение d/D) и материал каната (коэф. q). Максимальное значение КПД можно получить, используя втулки из бронзы и подшипники качения (до 98%). Подшипники скольжения дадут до 96% коэффициент полезного действия.
На схеме изображены все силы S на разных ветвях каната
Как высчитать КПД всей системы
Подъемный механизм состоит из нескольких блоков. Суммарный КПД полиспаста не равен арифметической сумме всех отдельных составляющих. Для вычисления используют куда более сложную формулу, а точнее – систему уравнений, где все силы выражаются через значение первичной S0 и КПД механизма:
- S1=ηп S0;
- S2=(ηп)2 S0; (4)
- S3=(ηп)3 S0;
- Sn=(ηп)n S0.
КПД полиспаста при разной кратности
Поскольку значение КПД всегда меньше 1, с каждым новым блоком и уравнением в системе значение Sn будет стремительно уменьшаться. Суммарный КПД полиспаста будет зависеть не только от ηб, но и от количества этих блоков – кратности системы. По таблице можно найти ηп для систем с разным количеством блоков при разных значениях КПД каждого.
Как сделать подъемник своими руками
В строительстве во время проведения монтажных работ далеко не всегда есть возможность подогнать подъемный кран. Тогда возникает вопрос, как поднять груз веревкой. И здесь находит свое применение простой полиспаст. Для его изготовления и полноценной работы нужно сделать расчеты, чертежи, правильно подобрать веревку и блоки.
Разные схемы простых и сложных подъемников
Подготовка базы – схема и чертеж
Прежде чем приступать к сооружению полиспаста своими руками, нужно внимательно изучить чертежи и подобрать подходящую для себя схему. Опираться следует на то, как вам будет удобнее разместить конструкцию, какие блоки и трос имеются.
Случается, что грузоподъемности блоков полиспаста недостаточно, а сооружать сложный многократный подъемный механизм нет времени и возможности. Тогда применяют сдвоенные полиспасты, представляющие собой комбинацию из двух одинарных. Этим устройством также можно поднимать груз таким образом, чтобы он двигался строго вертикально, без перекосов.
Чертежи сдвоенной модели в разных вариациях
Как подобрать веревку и блок
Важнейшую роль в построении полиспаста своими руками играет веревка. Важно, чтобы она не растягивалась. Такие канаты называют статическими. Растяжение и деформация гибкой связи дает серьезные потери эффективности работы. Для самодельного механизма подойдет синтетический трос, толщина зависит от веса груза.
Материал и качество блоков – показатели, которые обеспечат самодельным подъемным устройствам расчетную грузоподъемность. В зависимости от подшипников, которые установлены в блоке, меняется его КПД и это уже учтено в расчетах.
Но как поднять груз на высоту своими руками и не уронить его? Чтобы обезопасить груз от возможного обратного хода, можно установить специальный фиксирующий блок, который позволяет веревке двигаться только в одном – нужном направлении.
Ролик, по которому движется канат
Пошаговая инструкция для подъема груза через блок
Когда веревка и блоки готовы, схема выбрана, а расчет произведен, можно приступать к сборке. Для простого двукратного полиспаста понадобятся:
- ролик – 2 шт.;
- подшипники;
- втулка – 2 шт.;
- обойма для блока – 2 шт.;
- веревка;
- крюк для подвеса груза;
- стропы – если они нужны для монтажа.
Для быстрого соединения используют карабины
Пошагово подъем груза на высоту осуществляется так:
- Соединяют ролики, втулку и подшипники. Объединяют все это в обойму. Получают блок.
- Веревку запускают в первый блок;
- Обойма с этим блоком жестко крепится к неподвижной опоре (железобетонная балка, столб, стена, специально смонтированный вынос и пр.);
- Затем конец веревки пропускают через второй блок (подвижный).
- К обойме крепят крюк.
- Свободный конец веревки фиксируют.
- Стропят поднимаемый груз и соединяют его с полиспастом.
Самодельный подъемный механизм готов к использованию и обеспечит двойной выигрыш в силе. Теперь, чтобы поднять груз на высоту, достаточно потянуть за конец веревки. Огибая оба ролика, веревка поднимет груз без особых усилий.
Можно ли объединить полиспаст и лебедку
Если к самодельному механизму, который вы построите по этой инструкции, присоединить электрическую лебедку, получится самый настоящий подъемный кран, выполненный своими руками. Теперь для подъема груза не придется напрягаться совсем, лебедка все сделает за вас.
Даже ручная лебедка сделает подъем груза комфортнее – не нужно стирать руки о канат и переживать, чтобы веревка не выскользнула из рук. В любом случае, крутить ручку лебедки куда проще.
Полиспаст для лебедки
В принципе, даже вне стройплощадки умение в походных условиях с минимумом инструментов и материалов соорудить элементарный полиспаст для лебедки – очень полезный навык. Особенно оценят его автомобилисты, которым посчастливилось застрять на машине где-нибудь в непроходимом месте. Сделанный на скорую руку полиспаст значительно увеличит производительность лебедки.
Переоценить значение полиспаста в развитии современного строительства и машиностроения сложно. Понимать принцип действия и визуально представлять себе его конструкцию должен каждый. Теперь вам не страшны ситуации, когда нужно поднять груз, а специальной техники нет. Несколько шкивов, веревка и смекалка позволят обойтись без привлечения крана.
Темы кодификатора ЕГЭ: простые механизмы, КПД механизма.
Механизм
- это приспособление для преобразования силы (её увеличения или уменьшения).
Простые механизмы
- это рычаг и наклонная плоскость.
Рычаг.
Рычаг - это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси. На рис. 1 ) изображён рычаг с осью вращения . К концам рычага (точкам и ) приложены силы и . Плечи этих сил равны соответственно и .
Условие равновесия рычага даётся правилом моментов: , откуда
 |
| Рис. 1. Рычаг |
Из этого соотношения следует, что рычаг даёт выигрыш в силе или в расстоянии (смотря по тому, с какой целью он используется) во столько раз, во сколько большее плечо длиннее меньшего.
Например, чтобы усилием 100 Н поднять груз весом 700 Н, нужно взять рычаг с отношением плеч 7: 1 и положить груз на короткое плечо. Мы выиграем в силе в 7 раз, но во столько же раз проиграем в расстоянии: конец длинного плеча опишет в 7 раз большую дугу, чем конец короткого плеча (то есть груз).
Примерами рычага, дающего выигрыш в силе, являются лопата, ножницы, плоскогубцы. Весло гребца - это рычаг, дающий выигрыш в расстоянии. А обычные рычажные весы являются равноплечим рычагом, не дающим выигрыша ни в расстоянии, ни в силе (в противном случае их можно использовать для обвешивания покупателей).
Неподвижный блок.
Важной разновидностью рычага является блок - укреплённое в обойме колесо с жёлобом, по которому пропущена верёвка. В большинстве задач верёвка считается невесомой нерастяжимой нитью.
На рис. 2 изображён неподвижный блок, т. е. блок с неподвижной осью вращения (проходящей перпендикулярно плоскости рисунка через точку ).
 |
На правом конце нити в точке закреплён груз весом . Напомним, что вес тела - это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. В данном случае вес прило жен к точке , в которой груз крепится к нити.
К левому концу нити в точке приложена сила .
Плечо силы равно , где - радиус блока. Плечо веса равно . Значит, неподвижный блок является равноплечим рычагом и потому не даёт выигрыша ни в силе, ни в расстоянии: во-первых, имеем равенство , а во-вторых, в процессе движении груза и нити перемещение точки равно перемещению груза.
Зачем же тогда вообще нужен неподвижный блок? Он полезен тем, что позволяет изменить направление усилия. Обычно неподвижный блок используется как часть более сложных механизмов.
Подвижный блок.
На рис. 3 изображён подвижный блок , ось которого перемещается вместе с грузом. Мы тянем за нить с силой , которая приложена в точке и направлена вверх. Блок вращается и при этом также движется вверх, поднимая груз, подвешенный на нити .
 |
В данный момент времени неподвижной точкой является точка , и именно вокруг неё поворачивается блок (он бы "перекатывается" через точку ). Говорят ещё, что через точку проходит мгновенная ось вращения блока (эта ось направлена перпендикулярно плоскости рисунка).
Вес груза приложен в точке крепления груза к нити. Плечо силы равно .
А вот плечо силы , с которой мы тянем за нить, оказывается в два раза больше: оно равно . Соответственно, условием равновесия груза является равенство (что мы и видим на рис. 3 : вектор в два раза короче вектора ).
Следовательно, подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза. При этом, однако, мы в те же два раза проигрываем в расстоянии: чтобы поднять груз на один метр, точку придётся переместить на два метра (то есть вытянуть два метра нити).
У блока на рис. 3 есть один недостаток: тянуть нить вверх (за точку ) - не самая лучшая идея. Согласитесь, что гораздо удобнее тянуть за нить вниз! Вот тут-то нас и выручает неподвижный блок.
 |
На рис. 4 изображён подъёмный механизм, который представляет собой комбинацию подвижного блока с неподвижным. К подвижному блоку подвешен груз, а трос дополнительно перекинут через неподвижный блок, что даёт возможность тянуть за трос вниз для подъёма груза вверх. Внешнее усилие на тросе снова обозначено вектором .
Принципиально данное устройство ничем не отличается от подвижного блока: с его помощью мы также получаем двукратный выигрыш в силе.
Наклонная плоскость.
Как мы знаем, тяжёлую бочку проще вкатить по наклонным мосткам, чем поднимать вертикально. Мостки, таким образом, являются механизмом, который даёт выигрыш в силе.
В механике подобный механизм называется наклонной плоскостью. Наклонная плоскость - это ровная плоская поверхность, расположенная под некоторым углом к горизонту. В таком случае коротко говорят: "наклонная плоскость с углом ".
Найдём силу, которую надо приложить к грузу массы , чтобы равномерно поднять его по гладкой наклонной плоскости с углом . Эта сила , разумеется, направлена вдоль наклонной плоскости (рис. 5 ).
 |
Выберем ось так, как показано на рисунке. Поскольку груз движется без ускорения, действующие на него силы уравновешены:
Проектируем на ось :
Именно такую силу нужно приложить, что двигать груз вверх по наклонной плоскости.
Чтобы равномерно поднимать тот же груз по вертикали, к нему нужно приложить силу, равную . Видно, что , поскольку . Наклонная плоскость действительно даёт выигрыш в силе, и тем больший, чем меньше угол .
Широко применяемыми разновидностями наклонной плоскости являются клин и винт.
Золотое правило механики.
Простой механизм может дать выигрыш в силе или в расстоянии, но не может дать выигрыша в работе.
Например, рычаг с отношением плеч 2: 1 даёт выигрыш в силе в два раза. Чтобы на меньшем плече поднять груз весом , нужно к большему плечу приложить силу . Но для поднятия груза на высоту большее плечо придётся опустить на , и совершённая работа будет равна:
т. е. той же величине, что и без использования рычага.
В случае наклонной плоскости мы выигрываем в силе, так как прикладываем к грузу силу , меньшую силы тяжести. Однако, чтобы поднять груз на высоту над начальным положением, нам нужно пройти путь вдоль наклонной плоскости. При этом мы совершаем работу
т. е. ту же самую, что и при вертикальном поднятии груза.
Данные факты служат проявлениями так называемого золотого правила механики.
Золотое правило механики. Ни один из простых механизмов не даёт выигрыша в работе. Во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии, и наоборот.
Золотое правило механики есть не что иное, как простой вариант закона сохранения энергии.
КПД механизма.
На практике приходится различать полезную работу A
полезн, которую нужно совершить при помощи механизма в идеальных условиях отсутствия каких-либо потерь, и полную работу A
полн,
которая совершается для тех же целей в реальной ситуации.
Полная работа равна сумме:
-полезной работы;
-работы, совершённой против сил трения в различных частях механизма;
-работы, совершённой по перемещению составных элементов механизма.
Так, при подъёме груза рычагом приходится вдобавок совершать работу по преодолению силы трения в оси рычага и по перемещению самого рычага, имеющего некоторый вес.
Полная работа всегда больше полезной. Отношение полезной работы к полной называется коэффициентом полезного действия (КПД) механизма:
=A полезн/А полн.
КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.
Вычислим КПД наклонной плоскости с углом при наличии трения. Коэффициент трения между поверхностью наклонной плоскости и грузом равен .
Пусть груз массы равномерно поднимается вдоль наклонной плоскости под действием силы из точки в точку на высоту (рис. 6 ). В направлении, противоположном перемещению, на груз действует сила трения скольжения .
 |
Ускорения нет, поэтому силы, действующие на груз, уравновешены:
Проектируем на ось X:
. (1)
Проектируем на ось Y:
. (2)
Кроме того,
, (3)
Из (2) имеем:
Тогда из (3) :
Подставляя это в (1) , получаем:
Полная работа равна произведению силы F на путь, пройденный телом вдоль поверхности наклонной плоскости:
A полн=.
Полезная работа, очевидно, равна:
А полезн=.
Для искомого КПД получаем.
Блок - это разновидность рычага, представляет собой колесо с желобом (рис.1), через желоб можно пропустить веревку, трос, канат или цепь.
Рис.1. Общий вид блока
Блоки подразделяют на подвижные и неподвижные.
У неподвижного блока ось закреплена, при подъеме или опускании груза она не поднимается и не опускается. Вес груза, который поднимаем, обозначим P, прикладываемую силу обозначим F, точку опоры - O (рис.2).
Рис.2. Неподвижный блок
Плечом силы P будет отрезок OA (плечо силы l 1 ), плечом силы F отрезок OB (плечо силы l 2 ) (рис.3). Эти отрезки являются радиусами колеса, тогда плечи равны радиусу . Если плечи равны, то вес груза и сила, которую мы прикладываем для подъёма, численно равны .
Рис.3. Неподвижный блок
Такой блок не дает выигрыша в силе.Из этого можно сделать вывод, что неподвижный блок применять целесообразно для удобства подъема, проще поднимать груз вверх, применяя силу, которая направлена вниз.
Устройство, в котором ось может подниматься и опускаться вместе с грузом. Действие аналогично действию рычага (рис.4).
Рис. 4. Подвижный блок
Для работы этого блока один конец веревки закрепляется, ко второму концу приложим силу F, чтобы поднять груз весом P, груз прикреплен к точке A. Точкой опоры при вращении будет точка О, потому что в каждый момент движения блок поворачивается и точка O служит точкой опоры (рис.5).
Рис. 5. Подвижный блок
Значения плеча силы F составляет два радиуса .
Значение плеча силы P составляет один радиус.
Плечи сил отличаются в два раза, по правилу равновесия рычага, силы отличаются в два раза. Сила, которая необходима, чтобы поднять груз весом P, будет в два раза меньше, чем вес груза . Подвижный блок дает преимущество в силе в два раза.
На практике применяют комбинации блоков для изменения направления действия применяемой силы для подъема и ее уменьшения в два раза (рис.6).
Рис. 6. Комбинация подвижного и неподвижного блоков
На занятие мы познакомились с устройством неподвижного и подвижного блока, разобрали, что блоки - это разновидности рычагов. Для решения задач по этой теме необходимо помнить правило равновесия рычага: отношение сил обратно пропорционально отношению плеч этих сил.
- Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.
- Перышкин А.В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
- Class-fizika.narod.ru ().
- School.xvatit.com ().
- Scienceland.info ().
Домашнее задание
- Узнайте самостоятельно, что собой представляет полиспаст и какой выигрыш в силе он дает.
- Где применяют в быту неподвижные и подвижные блоки?
- Как легче подниматься вверх: лезть по веревке или подниматься при помощи неподвижного блока?
Будем пока считать, что массой блока и троса, а также трением в блоке можно пренебречь. В таком случае можно считать силу натяжения троса одинаковой во всех его частях. Кроме того, трос будем считать нерастяжимым, а его массу - пренебрежимо малой.
Неподвижный блок
Неподвижный блок используют для того, чтобы изменить направление действия силы. На рис. 24.1, а показано, как с помощью неподвижного блока изменить направление силы на противоположное. Однако с его помощью можно изменить направление действия силы как угодно.
Нарисуйте схему использования неподвижного блока, с помощью которого можно повернуть направление действия силы на 90°.
Дает ли неподвижный блок выигрыш в силе? Рассмотрим это на примере, показанном на рис. 24.1, а. Трос натянут силой, приложенной рыбаком к свободному концу троса. Сила натяжения троса остается постоянной вдоль троса, поэтому со стороны троса на груз (рыбу) действует такая же по модулю сила. Следовательно, неподвижный блок не дает выигрыша в силе.
При использовании неподвижного блока груз поднимается на столько же, на сколько опускается конец троса, к которому прикладывает силу рыбак. Это означает, что, используя неподвижный блок, мы не выигрываем и не проигрываем в пути.
Подвижный блок
Поставим опыт
Поднимая груз с помощью легкого подвижного блока, мы заметим, что, если трение мало, то для подъема груза надо прикладывать силу, которая примерно в 2 раза меньше веса груза (рис. 24.3). Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза.
Рис. 24.3. При использовании подвижного блока мы выигрываем в силе в 2 раза, но во столько же раз проигрываем в пути
Однако за двойной выигрыш в силе приходится платить таким же проигрышем в пути: чтобы поднять груз, например, на 1 м, надо поднять конец переброшенного через блок троса на 2 м.
То, что подвижный блок дает двойной выигрыш в силе, можно доказать и не прибегая к опыту (см. ниже раздел «Почему подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза?»).
