Виды простых механизмов

Принято выделять шесть простейших механизмов, из которых четыре являются разновидностью двух основных: рычаг (блок и ворот) и наклонная плоскость (клин, винт).

В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.

Рычаг — твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы. Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы. Длина этого перпендикуляра и будет плечом данной силы.

F1, F2 — силы, действующие на рычаг. L1 L2 — плечи сил, действующих на рычаг. Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Это правило можно записать в виде формулы:

F1 / F2 = L1 / L2,.

Правило равновесия рычага было установлено Архимедом. Из этого правила видно, что меньшей силой можно уравновесить при помощи рычага большую силу. Во сколько раз одно плечо больше второго, во столько раз силы, приложенные к одному плечу больше силы, приложенной ко второму плечу.

Виды рычагов. Существует два вида рычагов.

У рычагов первого рода неподвижная точка опоры располагается между линиями действия приложенных сил. Для того чтобы приподнять тяжелый предмет надо приложить силу, направленную вниз.

У рычагов второго рода неподвижная точка опоры располагается по одну сторону линий действия приложенных сил. Для того чтобы приподнять Тяжелый предмет надо приложить силу, направленную вверх.

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.

Блок — простое механическое устройство, позволяющее изменять силу.

Блок имеет два вида: неподвижный и подвижный.

Неподвижным блоком называют такой блок, ось которого закреплена и при подъеме грузов не поднимается и не опускается. Такой блок не дает выигрыша в силе, но позволяет менять направление действия силы.

Подвижным блоком называют такой блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом. Подвижный блок дает выигрыш в силе.

Другой разновидностью рычага является ворот.

Ворот от слова — воротить, крутить, вращать. Простейший механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате (тросе, верёвке). Синоним простейшей лебёдки. В более широком смысле воротом называют рычаг (для создания крутящего момента), совершающий при работе полный оборот (вороток в слесарном инструменте, вороты привода мельничных жерновов от лошадей).

Ворот представляет собой цилиндр (барабан), к которому прикреплена рукоятка. При помощи рычага можно маленькой силой уравновесить большую силу.

Рассмотрим, например, подъем ведра из колодца. Рычагом является колодезный ворот — бревно с прикрепленной к нему изогнутой ручкой. Ось вращения ворота проходит сквозь бревно. Меньшей силой служит сила руки человека, а большей силой — сила, с которой ведро и свисающая часть цепи тянет вниз. Выигрыш в силе, который дает ворот, определяется отношением радиуса окружности, по которой движется рукоятка r1, к радиусу цилиндра, на который наматывается веревка r2.

Если к рукоятке приложена сила F1, то сила напряжения веревки равна:. Современным типом ворота является лебедка. Лебедка представляет собой сочетание цилиндра и двух зубчатых колес разного радиуса. Общий выигрыш в силе, который дает лебедка, определяется из совокупного действия 2-х воротов. Современные лебедки дают выигрыш в силе в 40−100 раз.

Наклонная плоскость — представляет собой плоскость, расположенную под углом к горизонту. Наклонная плоскость позволяет преодолевать значительное сопротивление, прилагая сравнительно малую силу на большем расстоянии, чем-то, на которое нужно поднять груз. Наклонная плоскость дает выигрыш в силе. Выигрыш в силе определяется отношением длины наклонной плоскости к ее высоте, при условии, что трение очень мало.

Примерами наклонных плоскостей служат пандусы и трапы. Принцип наклонной плоскости можно видеть также в таких колющих и режущих инструментах, как стамеска, топор, плуг, клин, винт.

Винт (шнек) — простейший механизм. Резьба винта, в сущности, представляет собой другой простейший механизм —наклонную плоскость, многократно обёрнутую вокруг цилиндра.

Примеры простых устройств с винтовой резьбой — домкрат, болт с гайкой, тиски.

Идеальный выигрыш в силе равен отношению расстояния, проходимого точкой приложения усилия за один оборот винта (длины окружности), к расстоянию между двумя соседними витками резьбы (шаг резьбы).

Первый винт был запатентован в 1784 году.

Клин — простой механизм в виде призмы, рабочие поверхности которого сходятся под острым углом. Это, в сущности, сдвоенная наклонная плоскость Главное его отличие от наклонной плоскости в том, что она обычно неподвижна, и груз под действием усилия движется по ней, а клин вгоняют под нагрузку или в нагрузку. Клин позволяет увеличить давление за счет концентрации массы на малой площади. Идеальный выигрыш в силе, даваемый клином, равен отношению его длины к толщине на тупом конце. Реальный выигрыш клина определить трудно. Из-за большого трения его КПД столь мал, что идеальный выигрыш не имеет особого значения.