Фізика 7 клас 18.05.2020

Прості механізми. Коефіцієнт корисної дії (ККД) простих механізмів.

Похилою площиною до низу не котись, а розумом

  і силою здіймайся весь у вись.

Людина протягом всієї історії її існування намагається полегшити собі виконання роботи.

За допомогою чого вона це робить? (За допомогою машин та механізмів.)

На лівому узбережжі Ніла, на краю пустелі Сахара, височать знамениті єгипетські піраміди, кам’яні глиби фараонів. Нас вражають їхні розміри, велич та загадковість. Так, наприклад, висота піраміди Хеопса 137 м, а щоб обійти її, необхідно пройти не один кілометр. За словами історика Геродота, піраміду Хеопса будували близько 20 років, а дорогу до неї — 10 років. Побудована ця дорога з 2 мільйонів 300 тисяч кам’яних блоків, маса кожного — 2,5 тонн.

v Яким чином людина, яка не має великої сили, спромоглася звести ці споруди? (Для зведення пірамід люди використовували прості механізми: похилу площину, блоки та важелі.)

 

Давайте перевіримо, чи так все було, як ви кажете. Повернімося на багато років назад, в епоху, коли піраміди будувалися.

   Перегляньте  фільм «Астерікс та Обелікс.Місія Клеопатра», де йдеться про зведення єгипетських пірамід за допомогою простих механізмів,.

Сьогодні на уроці ми з вами розглянемо, що таке прості механізми, ознайомимося з поняттям «машина», з’ясуємо, що є між ними спільного і у чому різниця. Попрацювавши у творчій експериментальній лабораторії, сформулюємо «золоте правило» механіки і з’ясуємо, за якими параметрами можна судити про якість механізмів.

Тисячоліття тому назад люди виконували всі види роботи за допомогою сили своїх м’язів. З часом вони винайшли різні механізми, щоб полегшити свою працю.

Першою людиною, який застосував прості механізми, був наш далекий доісторичний предок, палицею зрушувати з місця важкі камені в пошуках їстівних коренів або ховалися під корінням дрібних тварин. Є багато свідчень, що в стародавніх країнах - Вавилоні, Єгипті, Греції - будівельники широко використовували прості механізми при підйомі і перевезення статуй, колон і величезних каменів, в умілих руках важкий вантаж перетворювався в легкий.

Подивіться на Моаї – кам’яні статуї на узбережжі острова Пасхи в Тихому океані у вигляді людської голови заввишки до 20 метрів і вагою 40-90 тонн. Яким чином вони доставлялися до узбережжя, невідомо - це одна з головних загадок острова, що не дає спокою вже декільком поколінням мандрівників і дослідників. За легендою вони «йшли» самі. Норвезький мандрівник Тур Хейєрдал дає опис одного з цих способів переміщення статуй, який був перевірений в дії місцевими жителями. Так, один з моаї, перекинутих з постаменту, був поставлений назад шляхом використання колод, підсунених під статую, що за конструкцією нагадувало важіль. 

Прості механізми - пристрої, призначені для зміни сили.

До простих механізмів належать:

Ø важіль ( різновид важеля  - коловорот)

Важіль — це тверде тіло, яке може обертатися навколо нерухомої опори.

 

Коловорот — це різновид важеля. Він призначений для одержання виграшу в силі. Коловорот можна побачити в будь-якому селі біля криниці . За допомогою коловорота навіть дитина може витягти з криниці відро води.

Ø Блоки (рухомий і нерухомий )

Блоки допомагають піднімати та опускати вантажі.

Блок — це колесо з жолобом,  закріплене в обоймі .

Через жолоб блока пропускають мотузку, трос або ланцюг. Рухомий і нерухомий блоки  завжди можна побачити в будь-якому підйомному крані

 У багатьох випадках замість того, щоб піднімати вантаж на деяку висо­ту, його вкочують або пересувають та ту саму висоту за допомогою похилої площини.

 

Ø Похила площина (різновид – гвинтова драбина, клин )

Піднімаючи вантаж уздовж похилої площини, дістаємо виграш у силі в стільки разів, у скільки разів довжина схилу площини більша за її висоту.

Похила площина  полегшує підйом вантажів. Хоча йти по ній доводиться довше, але зусиль треба затрачати набагато менше, ніж підніма­ти вантаж вертикально вгору.

Властивості похилої площини реалізуються у використанні, наприклад,

ескалаторів, звичайних сходів і конвеєрів.

Вона застосовується і зараз для підйому на незначну висоту. Наприклад, для підйому вантажів використовуються пандуси. Завдяки нахилу пандуса сила, необхідна для збільшення висоти менша, хоча шлях, який потрібно подолати, збільшується.

Гвинтова драбина  є також похилою площиною, що обвиває вісь, подібно до різьби гвинта. По гвинтовій драбині підніматися легше, ніж по вертикальній, але доводиться долати більшу відстань.

Одними із різновидів похилої площини є клин та гвинт. Щоб полегшити рубання дров, у тріщину колоди вставляють клин і б’ють по ньому обухом сокири. Принцип дії гвинта використовують у багатьох механізмах і пристроях — механічних домкратах і підйомниках, м’ясорубці, лещатах, струбцинах, свердлах, шурупах, різьбових кріпленнях тощо.

Гвинт, як і гвинтова драбина, — також похила площина. Гвинти використовуються для скріплення деталей.

Клин — різновид похилої площини.

Клин становить основну частину колючих, різальних, стругальних інструментів: голки, ножа, ножиць, сокири, стамески, рубанка, лемеша плуга.

 

Без простих механізмів ми не можемо обійтися жодного дня.

 

Класифікація простих механізмів

 

                                   

Механізм — це пристрій, що передає рух або перетворює один вид руху на інший.

Машина — це механізм або сукупність механізмів для перетворення енергії з одного виду в  інший.

 

В кожній машині є три основні частини:

·        робочий орган;

·        передавальний механізм;

·        двигун.

 

Двигун – це пристрій, в якому той чи інший вид енергії перетворюється в механічний рух.

Механічний рух від двигуна до робочого органу машини передається різними механізмами (шестернями, ланцюгами...), які називають

передавальними механізмами.

Сьогодні прості механізми працюють на канатних дорогах, на бурових установках, виконують будівельно-монтажні та вантажні роботи. На будь-який будівельному майданчику працюють баштові підйомні крани - це поєднання важелів, блоків, коміром. Залежно від «спеціальності» крани мають різні конструкції і характеристики.

Коефіцієнт корисної дії

До цього часу ми розглядали ідеальні умови використання простих механізмів.

Припустимо, що треба підняти вантаж на певну висоту.

Нерухомий блок можна уявити як рівноплечий важіль:

F = P

Однак на практиці застосовуючи нерухомий блок, доводиться додатково прикладати силу, щоб тягнути мотузку й подолати силу тертя в осі блока:

F > P

При підніманні вантажу на висоту h виконується корисна робота:

𝐴кор=𝑃ℎ

А от повна робота, тобто робота, яку виконує вантажник обчислюється за формулою:

𝐴повна=𝐹ℎ

 

Оскільки F > P, то корисна робота, яку виконують за допомогою будь-якого механізму, завжди менша за повну роботу

𝑨кор<𝑨повна

 

Коефіцієнт корисної дії (ККД) механізму — це фізична величина, яка характеризує механізм і дорівнює відношенню корисної роботи до повної роботи. Позначають символом η та обчислюють за формулою:

 

 

Коефіцієнт корисної дії  виражають у відсотках.

 

v Чи може ККД механізму бути більшим за 100 % або за 1? Чому?

 

ККД будь-якого механізму менший за 100%, тому що під час виконання корисної роботи за допомогою механізмів треба ще виконати додаткову роботу, наприклад, на подолання тертя в рухомих частинах, а також на переміщення цих частин.

Усяку машину прагнуть зробити такою, щоб її ККД наближався до одиниці. Для цього зменшують, наскільки можливо, силу тертя й інші втрати в машині.

 

 «Золоте правило» механіки

Важелі з різними плечима та рухомі блоки дозволяють отримати виграш у силі, однак такий виграш дається не «задарма», адже, отримавши перевагу в силі, ми обов’язково програємо у відстані.

 

«Золоте правило» механіки: Жоден із простих механізмів не дає виграшу в роботі: у скільки разів виграємо в силі, у стільки само разів програємо у відстані.

Найбільш чітко його сформулював Галілей, уточнивши, що воно справедливо, коли тертям можна знехтувати.

Довгий час «золоте правило» механіки розглядалося як «самостійний» закон природи. І тільки після відкриття закону збереження енергії з’ясувалося, що «золоте правило» механіки є одним із проявів закону збереження енергії:

v при використанні будь-якого простого механізму не можна одержати виграш у роботі.

Із закону збереження енергії випливає й набагато більш загальне твердження, що стосується будь-яких механізмів,— не тільки простих, але і як завгодно складних: неможливе існування так званого «вічного двигуна», призначенням якого було б вічно виконувати роботу без витрати енергії.

Зареєструйтесь за посиланням: https://miyklas.com.ua/p/fzika/7-klas/robota-i-potuzhnist-energiia-16513/prosti-mekhanizmi-koefitciyent-korisnoyi-diyi-16522/tv-94ad8555-983c-4130-a1f7-439dd8fc0eee та пройдіть тестування. Скріншот результату надішліть мені на пошту glinsc.nvk@gmail.com