Урок 4. От законов механики к механическим устройствам
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 4. От законов механики к механическим устройствам

Глоссарий по теме:

Приспособления, служащие для преобразования силы, называют простыми механизмами.

Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей.

Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее поло. Закон постоянства состава: Многие вещества, независимо от нахождения в природе или способа получения их в лаборатории, всегда имеют один и тот же состав.

Золотое правило механики: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии.

Закон сохранения энергии: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается неизменной.

Под полной механической энергией понимаем сумму кинетической и потенциальной энергий тел, составляющих систему.

Кинетическая энергия характеризует движущиеся тела, потенциальная энергия характеризует энергию взаимодействующих тел . Обе энергии изменяются только в результате взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Основные источники:

Еремин В.В. Теоретическая и математическая химия для школьников. – М.: МЦНМО, 2007.
Миттова И.Я., Самойлов А.М. История химии с древнейших времен до конца XX века: учебное пособие в 2-х томах. Т. 1. – Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2009.
Папулов Ю.Г, Левин В.П., Виноградова М.Г. Строение вещества в естественнонаучной картине мира: Молекулярные аспекты. Учебное пособие, 2-ое издание. Тверь: ТвГУ, 2005 - 208 с.

Дополнительные источники:

Травень В. Ф. «Органическая химия», в 2-х томах. Москва, ИКЦ «Академкнига», 2004.
Химия. Школьная энциклопедия. Гл. ред. Ю.А.Золотов. М.: Большая российская энциклопедия, 2003.
Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. Гл. ред. В.А.Володин. — М.: Аванта+, 2000.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Механические устройства появились еще до окончательного формирования науки механики, начиная от создания жилищ, мельниц, заканчивая различными средствами для передвижения, которые в настоящее время заменяют уже робототехническими механизмами. Как же, не зная научных теорий и закономерностей человек это осуществлял? И надо ли их знать и уметь использовать, чтобы жить в современном мире?

Одним из чудес света является статуя Зевса. В облике Зевса сочетаются властность и милосердие, мудрость и доброта. В классической механике есть что-то напоминающее Зевса. Фундаментальное правило, которому подчиняются все механизмы.

О том, как усилить воздействие, человек задумывался с давних времен, создавая простые механизмы. Построенные Архимедом мощные метательные машины забрасывали римские войска тяжёлыми камнями. Он же автор знаменитых слов: «Дайте мне точку опоры, и я передвину Землю!»

Рассмотрим подробнее принцип действия простейшего механизма-рычага. Пусть имеется некоторое устройство (Рис. 1). На входе устройства (точка A) подействуем на него с силой FA. При перемещении точки A на величину ΔxA мы совершаем над устройством работу ΔAвх = FAΔxA.

Рис.1. Принцип действия рычага

На выходе (точка B) устройство совершает работу над внешними телами, действуя на них с силой FB. Величина этой работы равна ΔAвых =FBΔxB. Энергия самого устройства при этом изменяется на величину ΔE=ΔAвх - ΔAвых=FAΔxA - FBΔxB. Если энергия устройства не изменяется, то работа на входе устройства равна работе на выходе устройства, и мы получаем соотношение, соответствующее золотому правилу механики: FAΔxA = FBΔxB. Таким образом, золотое правило механики является следствием закона сохранения энергии.

Если энергия устройства изменяется, то работа на выходе устройства может быть как больше, так и меньше работы на входе. При уменьшении энергии устройства оно совершает работу над внешними телами, и работа на выходе становится больше работы на входе. В этом случае механическое устройство является двигателем. Для работы двигателя необходим, как всегда, некоторый источник энергии.

Если энергия устройства увеличивается, то работа на выходе оказывается меньше, чем работа на входе. Устройство само потребляет энергию. Иногда эта энергия может запасаться в виде механической энергии. Например, можно поднимать некоторый груз (накапливать потенциальную энергию), или раскручивать некоторый маховик (накапливать кинетическую энергию). За счет накопленной энергии впоследствии устройство может совершить работу. В этом случае действие устройства аналогично аккумулятору.

Вывод: используя рычаг, выигрыша в работе не получают. Если мы выигрываем в силе, то проигрываем в пути и наоборот.

Таким образом, ни один из простых механизмов не дает выигрыша в работе. Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в расстоянии. Уже древним ученым, было, известно правило, применимое ко всем механизмам: Во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики.

Его первооткрывателем считают Герона Александрийского, которому принадлежит описание пяти типов простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Посмотрите на приведенные примеры и вспомните простые механизмы, основанные на этом правиле.

Во всех реальных механизмах, помимо всего прочего, часть механической энергии переходит в тепло в силу наличия трения между подвижными элементами.

Из этого следует, что в реальных устройствах, не являющихся двигателями, мы всегда проигрываем в работе. Золотое правило механики, таким образом, точно выполняется только в идеализированных системах.

Зачем же нужны такие устройства, которые не дают выигрыша в работе, а лишь передают энергию от одной точки к другой? Первый ответ следует из принципа действия рычага – мы можем получить выигрыш в силе. В некоторых случаях, например, механические часы, необходимо замедлить скорость на выходе.

В часах необходимо замедлить скорость движения стрелок по сравнению со скоростью движения маятника.

Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.

Редукторы могут состоять из шестерен, как в часах, а также из цепей, ремней, шкивов и т.д.

Предназначение этих устройств легче всего понять на основе редуктора велосипеда, состоящего из звездочек и цепи.

В зависимости от передаточного соотношения один оборот педалей может соответствовать разному числу оборотов колеса. При движении в гору выгодно, чтобы колесо крутилось медленнее, при этом сила человека на педали будет наименьшей. Напротив, при движении под гору выгоднее, чтобы колесо крутилось быстрее, при этом за один оборот педалей велосипед проедет большее расстояние.

В любом редукторе действует сила трения, ухудшающая его работу. Но и без этой силы многие механизмы не смогли бы функционировать.

Будет ли движение автомобиля более эффективным, если «вредная» сила трения исчезнет? Увы, в отсутствии силы трения мы получили бы обратный результат, автомобиль, подобно санкам мог бы только катиться под гору. Именно сила трения, а не мифическая «сила тяги», как иногда можно услышать, движет автомобиль. Конечно же, автомобиль движется вследствие работы двигателя. Но в отсутствие силы трения между колесами и дорогой двигатель может только заставить крутиться колеса без движения автомобиля. Именно это происходит при плохом сцеплении колес с дорогой. Сила трения здесь играет важную положительную роль и усилия многих изобретателей и инженеров направлены на то, чтобы увеличить силу трения между колесами и дорогой. Таким образом, сила трения играет важную роль при механическом движении. В некоторых случаях эта роль отрицательна и силу трения следует уменьшать, в других случаях ее нужно увеличивать.

Одной из важных прикладных задач механики является исследование устойчивости различных конструкций. Любая неподвижная конструкция находится в положении механического равновесия. Из законов механики следует, что система находится в положении равновесия, если сумма всех сил и сумма всех моментов сил, действующих на каждый из элементов конструкции, равны нулю. Различные типы равновесия тела на опоре представлены на рисунке: а) устойчивое равновесие; б) неустойчивое равновесие; в) безразличное равновесие.

Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее положение. Когда речь идет о различных сооружениях в большинстве случаев инженеров интересует именно устойчивое равновесие. Все здания, такие инженерные сооружения, как мосты, вышки должны находиться в положении устойчивого равновесия.

Законы устойчивого равновесия необходимо соблюдать при строительстве, особенно в сейсмически неустойчивых районах Земли.

Проблемы механической устойчивости оказываются связанными с проблемами экономической целесообразности.

Выводы:

• Механические устройства облегчают жизнь человека с древних времен.

• Сила трения играет важную роль при механическом движении. Её можно увеличивать или уменьшать для достижения необходимого эффекта.

• При проектировании различных сооружений обязательно решается задача на механическую устойчивость.

Конструкции должны находиться в состоянии устойчивого положения равновесия при изменении множества факторов, действующих в процессе эксплуатации

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один правильный ответ. "Золотое правило" механики является:

1) гипотезой

2) явлением

3) законом

4) теорией

Правильный вариант: 3.

Задание 2. Соедините попарно прямоугольники с овалами так, чтобы каждому рисунку типа равновесия соответствовало название.

Неустойчивое равновесие

Безразличное равновесие

Устойчивое равновесие

Правильный вариант:

Устойчивое равновесие

Неустойчивое равновесие

Безразличное равновесие