Инструменты и простые машины
Машины созданы, чтобы помогать людям — в буквальном смысле. Инструменты, сделанные из металла , дерева и пластика, помогают вам работать быстрее и эффективнее. В науке подобные инструменты называют простыми машинами . И хотя вы можете подумать, что есть большая разница между крошечным гаечным ключом и огромным большим землеройным аппаратом, в обоих случаях действует одна и та же физика. Давайте подробнее рассмотрим инструменты и машины и то, как они работают.
Что такое машина?
Чтобы сделать что-нибудь вообще — поднять коробку, толкнуть машину, встать с кровати, прыгнуть в воздух, почистить зубы — вам нужно использовать толкающее или тянущее действие, называемое силой . Если вы постоянно говорите людям, что вы сильны, на самом деле вы имеете в виду, что ваше тело может приложить много силы. Возможно, вы наблюдали по телевизору, как невероятно сильные люди тянут грузовики или поезда голыми руками, но есть предел тому, на что способно даже самое мускулистое человеческое тело. Простые машины позволяют нам выйти за эти пределы. Простые машины могут сделать всех нас сильными!
Когда вы слышите слово «машина», вы, вероятно, думаете о чем-то вроде бульдозера или паровоза . Но в науке машина это все, что увеличивает силу. Итак, молоток — это машина. Нож и вилка — это пара машин. И даже венчик для яиц — это машина. Все эти машины имеют одну общую черту: когда вы прикладываете к ним силу, они увеличивают ее размер и прикладывают большую силу в другом месте. Вы не можете разрезать мясо одной рукой, но если вы надавите на нож, длинная ручка и заостренное лезвие увеличивают силу, которую вы прикладываете рукой, и мясо режется без усилий. Когда вы забиваете гвоздь молотком, рукоятка увеличивает прилагаемое усилие. А поскольку головка молотка больше, чем головка гвоздя, прилагаемая вами сила действует на меньшую площадь с гораздо большим давлением, и гвоздь легко входит в дерево. Попробуйте забить гвоздь пальцем, и вы оцените преимущество, которое дает вам молоток.
Существует пять основных типов простых машин: рычаги, колеса и оси (которые считаются за один), шкивы, аппарели и клинья (которые также считаются за один) и винты.
Рычаги
Рычаг — самый простой из всех механизмов: это просто длинный стержень, который помогает вам прилагать большее усилие при повороте. Когда вы сидите на качелях, вы понимаете что вам нужно сесть дальше от точки равновесия (известной как точка поворота или точка опоры ), если человек на противоположном конце тяжелее вас. Чем дальше вы сидите от точки опоры, тем больше вы можете увеличить силу своего веса. Если вы сидите далеко от точки опоры, вы даже можете поднять гораздо более тяжелого человека, сидящего на другом конце — при условии, что он будет сидеть очень близко к точке опоры на своей стороне. Сила, которую вы прикладываете своим весом, называется усилием . Благодаря точке опоры создает большую силу для подъема груза.(вес другого человека). При использовании рычагов важно помнить, что создаваемая вами сила больше, чем прилагаемая вами сила:
С длинным рычагом вы можете использовать множество рычагов . Когда вы используете топор или гаечный ключ, длинная ручка помогает увеличить силу, которую вы можете приложить. Чем длиннее ручка, тем больше у вас рычагов. Таким образом, гаечным ключом с длинной ручкой всегда легче пользоваться, чем с короткой ручкой. А если вы не можете сдвинуть гайку или болт с помощью короткого гаечного ключа, попробуйте гаечный ключ с более длинной ручкой.
Типы рычага
Рычаги вокруг нас. Молотки, топоры, щипцы, ножи, отвертки, гаечные ключи, ножницы — все это содержит рычаги. Все они дают рычаги воздействия, но не все работают одинаково. На самом деле существует три различных типа рычагов (иногда называемых классами ).
Рычаги 1-го класса
В рычаге класса 1 сила, которую вы прикладываете, находится на противоположной стороне оси поворота по отношению к создаваемой вами силе. Качели — это пример рычага класса 1. Ножницы
Рычаги 2-го класса
Класс 2-рычаг выполнен немного другой способ, с точкой опоры на одном конце. Вы прикладываете силу на другом конце, а создаваемая вами сила находится в середине. Щелкунчики, чесночные прессы и тачки — все это примеры рычагов класса 2. Тачка.
Рычаги 3-го класса
Класс 3-рычаг отличается снова. Как и рычаг класса 2, он имеет точку опоры на одном конце. Но две силы меняются местами. Теперь вы прилагаете силу в середине, а создаваемая вами сила — на противоположном конце. Рычаги класса 3 отличаются от других машин тем, что они уменьшают прилагаемое усилие, что дает вам гораздо больший контроль. Пинцет и щипцы являются примером рычагов класса 3. Щипцы
Ручки также относятся к классу 3: поворачивая их на руках и удерживая посередине, мы получаем гораздо больший контроль над пером или шариковой ручкой.
Колеса и оси
Изобретение колеса и оси (стержня, вокруг которого вращается колесо) около 5500 лет назад на Ближнем Востоке произвело революцию в транспорте и постепенно внесло огромные изменения в общество, но что сделало его таким особенным? Легче толкать тележку, загруженную тяжелым ящиком, чем толкать тот же ящик по земле, потому что колеса и оси тележки уменьшают трение и обеспечивают рычаг.
Большие колеса используются для увеличения силы и другими способами. К трубам, например, прикреплены колеса, называемые запорными кранами (или запорными клапанами ). При повороте внешнего обода из крана, внутренние повороты оси с гораздо большей силой, так что труба легче закрыть. Так же работают и рули. У грузовика или автобуса рулевое колесо часто больше, чем у автомобиля, потому что для поворота колес требуется больше силы. Более крупное колесо дает водителю больше рычагов воздействия.
Колеса могут увеличивать расстояние и скорость, а также силу. У велосипедов большие колеса, поэтому они едут быстрее. Когда вы крутите педали, вы включаете внутреннюю часть колеса. Но внешний обод колеса поворачивается быстрее и покрывает большую площадь, поэтому нажатие на педали дает гораздо больший эффект. Так же работают и автомобильные колеса.
Тачки великолепно сочетают в себе колеса и рычаги. Тачка позволяет легко перевозить груз из одного места в другое по двум причинам. Во-первых, его длинная рама действует как рычаг, поэтому груз намного легче поднимать. Во-вторых, легче толкать груз на тачке, потому что трение возникает только между колесом и осью. Если вы толкаете груз по неровной поверхности земли без тачки, трение будет намного больше.
Шестерни
Шестерни — это колеса с зубьями, которые могут либо увеличивать скорость машины, либо увеличивать ее силу, но не то и другое одновременно. Велосипеды используют шестерни обоими способами. Если вы хотите крутить педали в гору, вы используете шестерни, чтобы увеличить силу, чтобы вам не приходилось так много работать, хотя загвоздка в том, что они одновременно снижают вашу скорость. Если вы мчитесь по прямой дороге, вы можете использовать шестерни, чтобы увеличить скорость, но на этот раз загвоздка в том, что они уменьшат вашу силу. Хотя это не очевидно, просто взглянув на них, шестерни работают точно так же, как рычаги (как и колеса). Это требует небольшого объяснения, поэтому мы не будем вдаваться в подробности здесь.
Шкивы
Соедините два или более колеса и несколько раз оберните вокруг них веревку, и вы получите мощную подъемную машину, называемую шкивом. Каждый раз, когда веревка наматывается на колеса, вы создаете больше подъемной силы или механического преимущества. Если есть четыре колеса, и веревка обвивается вокруг них, шкив работает так, как будто четыре веревки поддерживают груз. Таким образом, вы можете поднять в четыре раза больше, хотя загвоздка в том, что вам придется тянуть веревку в четыре раза дальше.
Пандусы и клинья
Если вы когда-либо помогали вытаскивать лодку из моря, вы знаете, что это легче сделать, если на берегу есть пандус. Вместо того, чтобы поднимать лодку вертикально, прямо вверх, вы можете вытащить ее из моря с гораздо меньшими усилиями, поднявшись по рампе. Вы используете меньше силы, но вам нужно тянуть лодку на большее расстояние, поэтому вы используете одинаковое количество энергии в каждом случае. Путешественники по холмам иногда используют идею пандуса, чтобы добраться до вершины крутого подъема. Двигаясь зигзагами из стороны в сторону на своем подъеме, они эффективно создают собственный пандус. Холм становится менее крутым, но им нужно пройти немного дальше, чтобы добраться до вершины.
Пандусы иногда называют наклонными плоскостями или клиньями . Голова топора — это клин, работающий по-другому. Топор раздвигает дерево двумя способами. Ручка работает как рычаг, увеличивая прилагаемую силу. Лезвие клиновидной формы концентрирует силу на меньшей площади, увеличивая давление на древесину и раскалывая ее. Лезвие ножа работает точно так же.
Винты
Винт вгрызается в дерево, когда вы его поворачиваете. Вы часто читаете научные книги, в которых говорится, что винт «похож на рампу, обернутую по кругу», что довольно запутанно и сложно для понимания. Но представьте, что вы муравей и хотите подняться с нижней части винта наверх. Если вы поднимаетесь вертикально вверх по внешней стороне, вы преодолеете относительно короткое расстояние, но это требует очень большого подъемного усилия. Если вы подниметесь по винтовой резьбе, наматывая ее по кругу, вы действительно поднимаетесь по винтовой лестнице — пандусу, обернутому вокруг. Да, вы идете намного дальше, но это намного проще. В винте есть еще одна хорошая вещь: поскольку головка больше, чем вал под ней, винт работает как колесо (или рычаг): каждый раз, когда вы поворачиваете головку, заостренное острие вонзается в древесину с большей силой. Коническая (коническая) конструкция облегчает ввинчивание винта.
Машины вокруг нас!
Это почти все, что касается науки о простых машинах. Как только вы поймете, как работают машины, вы начнете видеть их повсюду. Даже ваше тело забито машинами. Ваш скелет, например, представляет собой набор рычагов! Осмотрите свой дом и посмотрите, сколько еще «простых машин» вы можете заметить. Вы будете удивлены, сколько их здесь!
Есть ли подвох?
Подъем, резка, рубка, перемещение, сгибание — машины, подобные тем, которые мы исследовали выше, упрощают выполнение любых задач, увеличивая силы, которые вы обычно можете создать своим собственным телом. На первый взгляд, это звучит так, как будто это может открыть путь к созданию машины, которая может дать нам что-то даром — может быть, такой, которая может производить энергию из воздуха, или вечного двигателя, который работает вечно.
На практике законы физики строги, и если вы облегчите себе жизнь одним способом, вам всегда будет труднее компенсировать это другим. Это способ ученого сказать «бесплатного обеда не существует», и в физике это называется законом сохранения энергии (проще говоря: мы не можем заставить энергию появляться магическим образом из ниоткуда). . Поэтому, когда у вас есть машина, которая дает вам больше силы, она не дает вам дополнительной энергииу вас не было раньше. Например, со шкивом канаты и колеса дают вам гораздо большую подъемную силу, но вы должны поднимать их намного дальше, поэтому вы используете точно такое же количество энергии, как и раньше. Вы просто используете его медленнее, с меньшими усилиями, поэтому подъем будет легче. Точно так же вы можете использовать качели, чтобы поднять гораздо более тяжелого друга, сидя дальше от точки равновесия, чем они, но вам придется перемещать ноги намного дальше, чтобы компенсировать это. Вы получаете дополнительную силу, но не дополнительную энергию — и в этом вся загвоздка.
Прием металлолома в Симферополе, с вывозом тел. +7 (978) 234-34-93. Демонтаж металла. Прием металлолома, честная цена.
