Имя Фамилия Класс

1 2

Среда

ФИЗИКА И ХИМИЯ В БЫТУ

Раздел №3. Взаимодействие тел

Понятие о рычаге. Использование рычагов в промышленности и в быту

Для нашего занятия я выбрала следующий эпиграф.

Учитель проговаривает эпиграф урока

«Счастлив в наш век тот,

Кому победа далась не кровью, а умом,

Счастлив тот, кто точку

Архимеда сумел сыскать

В себе самом» Ф.И. Тютчев.

1. Что такое рычаг?

Рычаг – это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.

2. Формулирование темы урока

Рычаг известен еще со времен древнего мира. Используется ли этот простой механизм в наши дни?

Насколько часто мы сталкиваемся с рычагами в повседневности?

Где мы его можем применять?

3. Формулирование основного вопроса урока (гипотезы)
Для чего используют рычаги? – (для получения выигрыша в силе)

3. Формулирование основного вопроса урока (гипотезы)
Гипотеза: Рычаги используют только для получения выигрыша в силе.

4. Создание проблемной ситуации

2. В чем заключается условие равновесия рычага?

Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил

Известна фраза Архимеда «Дайте мне точку опоры и я переверну Землю». Рассчитайте, какой длины пришлось бы Архимеду взять рычаг, если бы планету удалось разместить на плече в 1 м. М Архимеда 60 кг, маса Земли 6*1024 м.

Приложение 1.

Простые механизмы в живой природе
В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами, например, у человека — кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры — первый позвонок), фаланги пальцев. У кошек рычагами являются подвижные когти; у многих рыб — шипы спинного плавника; у членистоногих — большинство сегментов их наружного скелета; у двустворчатых моллюсков — створки раковины.

Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при проигрыше в силе. Это важно для приспосабливаемости и выживания.
Особенно большие выигрыши в скорости получаются у насекомых. Крылья некоторых насекомых начинают вибрировать согласно электрическим сигналам, которые проводятся нервами. Каждый из этих нервных сигналов проявляется в одном сокращении мышцы, которая в свою очередь двигает крыло. Две группы противоположных мышц, известных как «подниматель» и «опускатель», помогают крыльям подниматься и опускаться, натягивая в противоположные стороны. Стрекозы могут достигать в полете скорости до 40 км в час.

Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций. Например, длинные ноги борзой и оленя определяют их способность к быстрому бегу; короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при малой скорости; длинные челюсти борзой позволяют быстро схватить добычу на бегу, а короткие челюсти бульдога смыкаются медленно, но сильно держат (жевательная мышца прикреплена очень близко к клыкам, и сила мышц передается на клыки почти без ослабления).
В растениях рычажные элементы встречаются реже, что объясняется малой подвижностью растительного организма. Типичный рычаг — ствол дерева и составляющий его продолжение главный корень. Глубоко уходящий в землю корень сосны или дуба оказывает огромное сопротивление опрокидыванию (велико плечо сопротивления), поэтому сосны и дубы почти никогда не выворачиваются с корнем. Наоборот, ели, имеющие чисто поверхностную корневую систему, опрокидываются очень легко.

Интересные рычажные механизмы можно найти в некоторых цветах (например, тычинки шалфея), а также в некоторых раскрывающихся плодах.

Рассмотрим строение лугового шалфея (рис. 10). Вытянутая тычинка служит длинным плечом А рычага. На ее конце расположен пыльник. Короткое плечо Б рычага как бы стережет вход в цветок. Когда насекомое (чаще всего шмель) заползает в цветок, оно нажимает на короткое плечо рычага. Длинное плечо при этом пыльником ударяет по спинке шмеля и оставляет на ней пыльцу. Перелетая на другой цветок, насекомое этой пыльцой опыляет его.

В природе распространены гибкие органы, которые могут в широких пределах менять свою кривизну (позвоночник, хвост, пальцы, тело змей и многих рыб). Их гибкость обусловлена или сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг, или сочетанием элементов, сравнительно негибких, с промежуточными элементами, легко поддающимися деформации (хобот слона, тело гусеницы и др.). Управление изгибанием во втором случае достигается системой продольных или косо расположенных тяг.

Рычаги в быту и технике

Рычаги широко распространены в быту. Вам было бы гораздо сложнее открыть туго завинченный водопроводный кран, если бы у него не было ручки в 3-5 см, которая представляет собой маленький, но очень эффективный рычаг. То же самое относится к гаечному ключу, которым вы откручиваете или закручиваете болт или гайку. Чем длиннее ключ, тем легче вам будет открутить эту гайку, или наоборот, тем туже вы сможете её затянуть. При работе с особо крупными и тяжелыми болтами и гайками, например при ремонте различных механизмов, автомобилей, станков, используют гаечные ключи с рукояткой до метра.
Другой яркий пример рычага в повседневной жизни – самая обычная дверь. Попробуйте открыть дверь, толкая её возле крепления петель. Дверь будет поддаваться очень тяжело. Но чем дальше от дверных петель будет располагаться точка приложения усилия, тем легче вам будет открыть дверь.

Естественно, рычаги так же повсеместно распространены и в технике. Самый очевидный пример – рычаг переключения коробки передач в автомобиле. Короткое плечо рычага – та его часть, что вы видите в салоне. Длинное плечо рычага скрыто под днищем автомобиля, и длиннее короткого примерно в два раза. Когда вы переставляете рычаг из одного положения в другое, длинное плечо в коробке передач переключает соответствующие механизмы. Здесь так же очень наглядно можно увидеть, как длина плеча рычага, диапазон его хода и сила, необходимая для его сдвига, соотносятся друг с другом.

Рычаги можно встретить на стройке: экскаватор, подъемный кран, тачка, лом.

Примером рычага, дающего выигрыш в силе, могут служить ножницы для резки бумаги, кусачки, ножницы для резки металла, лопата.

Р рычаги различного вида имеются у многих машин: ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, клавиши пианино - все это примеры рычагов. Весы - тоже пример рычага.

Примером рычага, дающего проигрыш в силе, является весло. Это необходимо для получения выигрыша в расстоянии. Чем длиннее часть весла опускаемого в воду, тем больше его радиус вращения и скорость движения.
Таким образом, мы можем убедиться в том, что механизм рычага очень широко распространен как в нашем повседневном быту, и в различных механизмах.

Простые механизмы в теле человека
Движение играет огромную роль в жизни всех живых существ, В том числе и человека. Активные перемещения в пространство является основным отличием животных от растений. Движение и его скорость служат одними из главных приспособительных реакций животного к окружающей среде, что осуществляется двигательным аппаратом.
Двигательный аппарат человека состоит из костей, соединений между ними и мышц. Движения происходят в местах соединения костей. Мышечная ткань, основным свойством которой является способность сокращаться, приводит в движение костные рычаги. Кости и их соединения относятся к пассивной части двигательного аппарата, а мышцы – к его активной части.
Мышцы, действуя на кости, вращают их вокруг осей суставов. Такая система представляет собой особый рычаг.
В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами, например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры — первый позвонок), фаланги пальцев.
В двигательном аппарате человека мышцы проигрывают в силе, но выигрывают в расстоянии. Это создает значительные нагрузки на костно-мышечный аппарат, которые могут в несколько раз превышать перемещаемый или поднимаемый груз. Таким образом, рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе.

Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций.

Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (рис. а). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы , позади — сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила — вес всего тела — приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила , осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

Рычажное устройство двигательного аппарата дает человеку возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т. п. Но ничто на свете даром не дается. Мы выигрываем в скорости и мощности движения ценой увеличения силы мышечного сокращения. Например, для того чтобы, сгибая руку в локтевом суставе, перемещать груз массой 1 кг (т. е. с силой тяжести 10 Н), двуглавая мышца плеча должна развить силу 100—200 Н.

Сильнее самого себя
Какого веса груз вы можете поднять рукой? Положим, что 100 Н. Вы думаете, что эти 100 Н определяют силу мускулов вашей руки? Ошибаетесь: мускулы гораздо сильнее!
Рис. Предплечье С человека — рычаг второго рода. Действующая сила приложена к точке I; опора рычага находится в точке О сочленения; преодолеваемое же сопротивление (груз R) приложено в точке В

Проследите за действием, например, так называемой двуглавой мышцы вашей руки (см. рис.*).

Она прикреплена близ точки опоры рычага О, каким является кость предплечья, а груз действует на другой конец этого живого рычага. Расстояние ВО от груза до точки опоры, т. е. до сустава, почти в 8 раз больше, чем расстояние IО от конца мышцы до опоры. Значит, если вес груза составляет 100 Н, то мускул тянет с силой в 8 раз большей. Развивая силу в 8 раз большую, чем наша рука, мускул мог бы непосредственно поднять груз весом не 100 Н, а 800 Н!

Мы вправе без преувеличения сказать, что каждый человек гораздо сильнее самого себя, т. е. что наши мускулы развивают силу, значительно большую той, которая проявляется в наших действиях.

Целесообразно ли такое устройство? На первый взгляд как будто нет,— мы видим здесь потерю силы, ничем не вознаграждаемую. Однако вспомним старинное «золотое правило» механики: что теряется в силе, выигрывается в перемещении. Тут и происходит выигрыш в скорости: наши руки движутся в 8 раз быстрее, чем управляющие ими мышцы. Тот способ прикрепления мускулов, который мы видим у животных, обеспечивает конечностям проворство движений, более важное в борьбе за существование, нежели сила. Мы были бы крайне медлительными существами, если бы наши руки и ноги не были устроены по этому принципу.

Мог ли Архимед поднять Землю?
«Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!» — такое восклицание легенда приписывает Архимеду, гениальному механику древности, открывшему законы рычага. «Однажды Архимед,— читаем мы у Плутарха,— написал сиракузскому царю Гиерону, которому он был родственник и друг, что данной силой можно подвинуть какой угодно груз. Увлеченный силой доказательств, он прибавил, что если бы была другая Земля, он, перейдя на нее, сдвинул бы с места нашу».

Архимед знал, что нет такого груза, который нельзя было бы поднять самой слабой силой, если воспользоваться рычагом: стоит только приложить эту силу к очень длинному плечу рычага, а короткое плечо заставить действовать на груз. Поэтому он и думал, что, напирая на чрезвычайно длинное плечо рычага, можно силой рук поднять и груз, масса которого равна массе земного шара (см. рис.).

Рис. «Архимед рычагом поднимает Землю» (со старинного рисунка)

Но если бы великий механик древности знал, как огромна масса земного шара, он, вероятно, воздержался бы от своего горделивого восклицания. Вообразим на мгновение, что Архимеду дана та «другая Земля», та точка опоры, которую он искал; вообразим далее, что он изготовил рычаг нужной длины. Знаете ли, сколько времени понадобилось бы ему, чтобы груз, равный по массе земному шару_, поднять хотя бы на 1 см?
Не менее тридцати тысяч биллионов лет!
В самом деле. Масса Земли известна; тело с такой массой весило бы на Земле круглым счетом
600 · 10 ²³Н.
Если человек может непосредственно поднять груз весом 600 Н, то, чтобы «поднять Землю»_, ему понадобится приложить свои руки к длинному плечу рычага₂ которое больше короткого в 10 ²³ раз!
Простой расчет убедит вас, что, пока конец короткого плеча поднимается на 1 см, другой конец опишет во Вселенной огромную дугу в 10 ¹⁸км!
Такой невообразимо длинный путь должна была бы пройти рука Архимеда, налегающая на рычаг, чтобы «поднять Землю» только на 1 см! Сколько же времени понадобится для этого? Если считать, что Архимед способен был поднять груз весом 600 Н на высоту 1 м за 1секунду, то и тогда для «поднятия Земли» на 1 см потребуется
10 ²¹ секунд,

или тридцать тысяч биллионов лет! За всю свою долгую жизнь Архимед, напирая на рычаг, не «поднял бы Земли» даже на толщину тончайшего волоса...
Никакие ухищрения гениального изобретателя не помогли бы ему заметно сократить этот срок. «Золотое правило механики» гласит, что на всякой машине выигрыш в силе неизбежно сопровождается соответствующей потерей в длине перемещения, т. е. во времени. Если бы даже Архимед довел быстроту своей руки до величайшей скорости, какая возможна в природе,— до 300 000 км/с (скорость света), то и при таком фантастическом допущении он «поднял бы Землю» на 1 см лишь после десяти миллионов лет работы.