Ось которого закреплена при подъеме грузов, не поднимается и не опускается. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Жёлоб предназначен для каната , цепи , ремня и т. п. Если ось блока помещается в обоймах, прикреплённых на балке или стене, такой блок называется неподвижным (то есть ось блока закреплена); если же к этим обоймам прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться, то такой блок называется подвижным.
Неподвижный блок употребляется для подъёма небольших грузов или для изменения направления силы.
Условие равновесия блока:
F = f m g {\displaystyle ~F=fmg} , где
F {\displaystyle F} - прилагаемое внешнее усилие, m {\displaystyle m} - масса груза, g {\displaystyle g} - ускорение свободного падения, f {\displaystyle f} - коэффициент сопротивления в блоке (для цепей примерно 1,05, а для верёвок - 1,1).
При отсутствии трения для подъема нужна сила, равная весу груза.
Подвижный блок имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом; отсюда, если веревки параллельны (то есть когда дуга, обхватываемая веревкой, равна полуокружности), то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза, то есть:
F = 1 2 f m g {\displaystyle ~F={1 \over {2}}fmg}
При этом груз пройдёт расстояние, вдвое меньшее пройденного точкой приложения силы F, соответственно, выигрыш в силе подвижного блока равен 2.
Фактически, любой блок представляет собой рычаг , в случае неподвижного блока - равноплечий, в случае подвижного - с соотношением плеч 1 к 2. Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: Во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии . Иными словами, работа , совершаемая при перемещении груза на какое-либо расстояние без использования блока, равна работе, затрачиваемой при перемещении груза на то же самое расстояние с применением блока при условии отсутствия трения. В реальном блоке всегда присутствуют некоторые потери.
Также используется система, состоящая из комбинации нескольких подвижных и неподвижных блоков. Такая система называется полиспаст . Простейшая такая система изображена на рисунке и даёт выигрыш в силе в 2 раза.
В отличие от шкива , блок вращается на оси свободно и обеспечивает исключительно изменение направления движения ремня или каната, не передавая усилия с оси на ремень или с ремня на ось.
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.
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.
Команда «Физические пираты»Исследовательское задание
Применяя систему блоков, получите выигрыш в силе в 2,3,4 раза. Какой выигрыш ещё получился? Представьте схемы соединения блоков и фото .
Цель: Применяя систему блоков, получить выигрыш в силе в 2,3,4 раза.
План:
Изучить, что такое блоки, для чего они нужны.
Провести эксперименты с блоками, получить выигрыш в силе в 2,3,4 раза.
Оформить работу.
Сделать фотоотчёт.
Отчёт:
Изучили, что неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза.
Выдвинули гипотезу :
Опыт№1. Получение выигрыша в силе в 2 раза с помощью подвижного блока .
Оборудование: штатив, 2 муфты, 1 лапка, стержень, 1 подвижный блок, 1 неподвижный блок, гиря массой 1 кг (весом 10 Н), динамометр, верёвка.
Проведение эксперимента:
1.На штативе закрепить неподвижный блок, стержень, так, чтобы плоскость неподвижного блока и конец стержня лежали в одной плоскости.
2. Один конец верёвки закрепить на стержне, верёвку перебросить через подвижный блок и через неподвижный блок.
3. К крючку подвижного блока подвесить гирю, к свободному концу верёвки прицепить динамометр.
5.Сделать вывод.
Результаты измерений:
Вывод: F = Р/2, выигрыш в силе в 2 раза.
Оборудование. Установка для опыта № 1.
Проведение опыта№1.
Опыт №2. Получение выигрыша в силе в 4 раза с помощью 2-х подвижных блоков.
Оборудование: штатив, 2 подвижных блока, 2 неподвижных блока, 2 гири массой 1 кг (весом 10 Н) каждая, динамометр, верёвка.
Проведение эксперимента:
1.На штативе с помощью 3 муфт и 2 лапок закрепить 2 неподвижных блока и стержень, так, чтобы плоскости блоков и конец стержня лежали в одной плоскости.
2. Один конец верёвки закрепить на стержне, верёвку перебросить последовательно через 1-й подвижный блок, 1-й неподвижный блок, 2-й подвижный блок, 2-й неподвижный блок.
3. К крючку каждого подвижного блока подвесить гирю, к свободному концу верёвки прицепить динамометр.
4. Измерить силу тяги (руки) динамометром, сравнить её с весом гирь.
5.Сделать вывод.
Установка для опыта №2.
Результаты измерений:
Вывод: F = Р/4, выигрыш в силе в 4 раза.
Опыт № 3. Получение выигрыша в силе в 3 раза с помощью 1-ого подвижного блока.
Для получения выигрыша в силе в 3 раза, надо использовать 1,5 подвижного блока. Так как нельзя отделить от подвижного блока половину, то следует использовать верёвку дважды: один раз перекинуть верёвку через него полностью, второй раз прицепить конец верёвки к его половине, т.е. к центру.
Оборудование: штатив, 1 подвижный блок с двумя крючками, 1 неподвижный блок, 1 гиря массой 1 кг (весом 10 Н), динамометр, верёвка.
Проведение эксперимента:
1.На штативе с помощью муфты закрепить 1 неподвижный блок.
2. Один конец верёвки прицепить к верхнему крючку подвижного блока, к нижнему крючку подвижного блока прицепить гирю.
3. Верёвку перекинуть последовательно от верхнего крючка подвижного блока через неподвижный блок, снова вокруг подвижного блока и снова через неподвижный блок, к свободному концу верёвки подцепить динамометр. Должно получиться 3 верёвки, на которые опирается подвижный блок – 2 по краям (полный блок) и одна к его центру (половина блока). Таким образом, мы используем 1,5 подвижного блока.
4. Измерить силу тяги (руки) динамометром, сравнить её с весом гири.
5.Сделать вывод.
Установка к опыту № 3. Проведение опыта№ 3.
Результаты измерений:
Вывод: F = Р/3, выигрыш в силе в 3 раза.
Вывод:
Проделав опыты №№1-3, мы проверили гипотезу, выдвинутую перед исследованием. Она подтвердилась. По результатам опытов, мы выяснили, следующие факты:
чтобы получить выигрыш в силе в 2 раза, нужно применить 1 подвижный блок;
чтобы выиграть в силе в 4 раза, надо применить 2 подвижных блока;
чтобы выиграть в 3 раза, надо применить 1,5 подвижных блока.
Также заметили, что выигрыш в силе равен числу верёвок, на которые опираются подвижные блоки:
в опыте №1: 1подвижный блок опирается на 2 верёвки – выигрыш в силе в 2 раза;
в опыте №2: 2 подвижных блока опираются на 4 верёвки – выигрыш в силе в 4 раза;
в опыте №3 подвижный блок опирается на 3 верёвки – выигрыш в силе в 3 раза.
Эту закономерность можно применять для получения любого числа выигрыша в силе. Например, для получения выигрыша в 8 раз надо применить 4 подвижных блока, чтобы они опирались на 8 верёвок.
Приложение:
Схемы блоков для опытов №№1-3.
См. на следующей странице.
Физика 7 класс. ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ
В современной технике для переноса грузов на стройках и предприятиях широко используются грузоподъемные механизмы, незаменимыми составными частями которых можно назвать простые механизмы . Среди них древнейшие изобретения человечества: блок и рычаг . Древнегреческий ученый Архимед облегчил труд человека, дав ему при использовании своего изобретения выигрыш в силе, и научил менять направление действия силы.
Блок - это колесо с желобом по окружности для каната или цепи, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке. Грузоподъемные устройства обычно используют не один, а несколько блоков. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспаст .
Подвижный и неподвижный блок - такие же древнейшие простые механизмы, как и рычаг. Уже в 212 г.до н.эры с помощью крюков и захватов, соединенных с блоками, сиракузцы захватывали у римлян средства осады. Сооружением военных машин и обороной города руководил Архимед.
Неподвижный блок
Архимед рассматривал как равноплечий рычаг.
Момент силы, действующей с одной стороны блока, равен моменту силы, приложенной с другой стороны блока. Одинаковы и силы, создающие эти моменты.
Выигрыш в силе
при этом отсутствует, но такой блок позволяет изменить направление действия силы, что иногда необходимо.
Подвижный блок Архимед принимал за неравноплечий рычаг, дающий выигрыш в силе в 2 раза. Относительно центра вращения действуют моменты сил, которые при равновесии должны быть равны.
Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил его на практике. По свидетельству Афинея, "для спуска на воду исполинского корабля, построенного сиракузским тираном Гиероном, придумывали много способов, но механик Архимед, применив простые механизмы, один сумел сдвинуть корабль с помощью немногих людей. Архимед придумал блок и посредством него спустил на воду громадный корабль".