Исследовательская работа "Удивительные свойства рычага"

15

Содержание:

1. Введение.

2. Основная часть. Рычаг и его разновидности.

2.1. Из истории рычага.

2.2. Архимед – механик.

2.3. Что такое рычаг.

2.4. Разновидности рычага.

3. Практическая часть.

3.1. Рычаги в технике и в быту.

3.2. Лабораторная работа на тему «Выяснение условий равновесия рычага».

3.3. Эксперименты в домашних условиях.

4. Заключение.

5. Список использованной литературы.

Приложение 1. Схема рычага.

Приложение 2. Блок и ворот как разновидности рычага.

Приложение 3. Рычаги в технике и в быту.

Приложение 4. Лабораторная работа.

Приложение 5. Таблица: Условия равновесия рычага.

Приложение 6. Эксперимент с яблоками.

Приложение 7. Эксперимент с зубочисткой.

Приложение 8. Открывалка - рычаг.

Приложение 9. Я поднял папу!

1. Введение.

Однажды я захотел раздавить орех, но силы моих рук оказалось не достаточно. Папа рассказал мне, как в детстве он давил орехи при помощи двери. Я попробовал раздавить орех таким способом, и оказалось, что достаточно одним пальцем подтолкнуть дверь - и орех раздавлен.

Откуда взялась такая сила? Взрослые объяснили мне, что я использовал дверь как рычаг.

Что такое рычаг и почему он так увеличил мою силу?

Какими еще свойствами обладает рычаг?

Как используют рычаг люди?

Как можно еще применить рычаг?

Исследованию этих вопросов я посвятил свой проект.

В поисках ответа я обратился к науке физике. Я узнал, что сила самого человека ограничена, поэтому он часто применяет устройства, позволяющие увеличить силу его действия. Такие устройства называют простыми механизмами. К ним относятся: рычаг и его разновидности – блок и ворот.

С помощью взрослых я проведу опыты с рычагом, смоделирую устройства, работающие по принципу рычага.

В работе будут использованы такие методы, как поиск информации в литературе и сети Интернет, наблюдение, описание и измерение, опытно - экспериментальная работа, моделирование.

2. Рычаг и его разновидности.

«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»

Архимед

2.1. Из истории рычага.

Человек – существо разумное. Именно разум всегда давал ему возможность создавать приспособления, делавшие его сильнее или быстрее зверя, жить в условиях, в которых он без этих вещей не мог бы выжить.

Одним из первых таких приспособлений стал рычаг. Ещё первобытный человек превратил обычный шест в инструмент для поднятия тяжестей. Подсунув длинную палку под камень и оперев ее на кусок деревяшки, которая служила опорой, можно было без проблем переместить камень в другое место. Чем длиннее шест, тем легче работать. Изобретение рычага продвинуло первобытного человека по пути его развития.

Мотыга и весло были изобретены человеком для уменьшения силы, которую необходимо было прикладывать для выполнения какой - либо работы. 

В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия.

Без рычага было бы невозможно поднять тяжёлые каменные плиты при постройке пирамид в Древнем Египте. Для возведения пирамиды Хеопса, имеющей высоту 147 м, было использовано 2.300.000 каменных глыб, самая меньшая из которых имела массу 2,5 т.

Около 1500 года до нашей эры в Египте и Индии появляется шадуф – прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой. В России так же использовалось подобное устройство для поднятия воды из колодца, и называлось оно «Журавль».

Таким образом, мы не знаем ни имени автора рычага, ни точной даты его изобретения. Но с полной уверенностью можем утверждать, что древние люди без математических правил и законов физики придумали и широко использовали простые механизмы, опираясь на свою интуицию и опыт.

2.2. Архимед - механик.

Рычаг, блок, наклонная плоскость заинтересовали ученого Архимеда, проживавшего в Древней Греции во времена античности. В III веке до н. э. Архимед дал первое письменное объяснение принципу работы рычага, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит как: «Рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам этих сил». Архимед изложил полную теорию рычага и успешно применял ее на практике. Архимед построил в порту Сиракуз немало блочно-рычажных механизмов для облегчения подъёма и транспортировки тяжёлых грузов. Изобретённый им архимедов винт (шнек) для вычерпывания воды до сих пор применяется в Египте. Архимед является и первым теоретиком механики. Он начинает свою книгу «О равновесии плоских фигур» с доказательства закона рычага. 

Легенда рассказывает, что построенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею тяжёлый многопалубный корабль «Сиракузия» никак не удавалось спустить на воду. Архимед соорудил систему блоков (полиспаст), с помощью которой он смог проделать эту работу одним движением руки. По легенде, Архимед заявил при этом: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю».

Инженерный гений Архимеда с особой силой проявился во время осады Сиракуз римлянами в 212 году до н. э. в ходе Второй Пунической войны. А ведь в это время ему было уже 75 лет! Архимед создал метательные машины, способные бросать с большой скоростью камни массой около 250 кг и механизмы, бросающие с берега на суда тяжёлые брёвна. В последние годы были проведены несколько экспериментов с целью проверки правдивости описания этого «сверхоружия древности». Построенная конструкция показала свою полную работоспособность.

Так называемая «Лапа Архимеда» представляла собой уникальную подъемную машину — прообраз современного крана. Это был огромный рычаг, выступающий за городскую стену и оснащённый противовесом.

Оценивая роль Архимеда – механика, хочется отметить, что он произвел соответствующие расчеты и сконструировал более сложные механизмы, которые могли усиливать и преобразовывать движения. Благодаря Архимеду человечество научилось спускать на воду большие корабли, строить боевые машины.

2.3. Что такое рычаг.

И всё-таки сила человека ограничена, поэтому он часто применяет устройства (или приспособления), позволяющие преобразовать силу человека в силу, существенно большую. Тяжёлый предмет (камень, шкаф, станок), который невозможно передвинуть непосредственно, сдвигают с места при помощи достаточно длинной и прочной палки – рычага.

Рычаг представляет собой твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры. (Приложение 1). У рычага есть два плеча. Плечо — это расстояние от точки опоры до точки приложения силы. В качестве рычага могут быть использованы лом, доска и тому подобные предметы. Существуют закономерности: 

1)чем длиннее плечо, тем меньше нужно силы, чтобы поднять один и тот же груз;

2) чем длиннее плечо, тем больший путь оно проходит;

3) во сколько раз больше плечо рычага, во столько раз меньше должен быть груз для поддержания равновесия.

Убедиться в справедливости закономерностей мне помогли опыты, выполненные совместно со взрослыми.

Различают два вида рычагов.

У рычага 1-го рода неподвижная точка опоры О располагается между линиями действия приложенных сил (детские качели, ножницы), а у рычага 2-го рода она располагается по одну сторону от них (приподнимание предмета ломом движением вверх, тачка (точка опоры — колесо), задняя дверь багажника или капот легковых автомобилей на гидравлических телескопических упорах, подъём кузова самосвала, движение мышцами рук и ног человека и животных).

Использование рычага позволяет получить выигрыш в силе. Для расчета выигрыша в силе, получаемого с помощью рычага, следует знать правило, открытое Архимедом еще в III в. до н. э.

Итак, для того чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы.

С тех пор как Архимед установил правило рычага, оно просуществовало в первозданном виде почти 1900 лет.

Таким образом, в большинстве случаев рычаг применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, т.е. увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.

2. 4. Разновидности рычага.

Разновидностями рычага являются два простых механизма: блок и ворот. (Приложение 2).

Блок представляет собой устройство, имеющее форму колеса с желобом, по которому пропускают веревку, трос или цепь.

Различают два основных вида блоков — подвижный и неподвижный. 

У неподвижного блока ось закреплена и при подъеме грузов не поднимается и не опускается, а у подвижного блока ось перемещается вместе с грузом. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе. Его применяют для того, чтобы изменить направление действия силы. Так, например, прикладывая к веревке, перекинутой через такой блок, силу, направленную вниз, мы заставляем груз подниматься вверх.

Иначе обстоит дело с подвижным блоком. Этот блок позволяет небольшой силой уравновесить силу, в 2 раза большую.

На практике часто применяют комбинацию подвижного блока с неподвижным. Это позволяет изменить направление силового воздействия с одновременным двукратным выигрышем в силе.

Для получения большего выигрыша в силе применяют грузоподъемный механизм, называемый полиспастом. Греческое слово «полиспаст» образовано из двух корней: «поли» — много и «спао» — тяну, так что в целом получается «многотяг».

Полиспаст представляет собой комбинацию из двух обойм, одна из которых состоит из трех неподвижных блоков, а другая — из трех подвижных блоков. Поскольку каждый из подвижных блоков удваивает силу тяги, то в целом полиспаст дает шестикратный выигрыш в силе.

Ворот состоит из цилиндра (барабана) и прикрепленной к нему рукоятки. Этот простой механизм был изобретен в глубокой древности. Чаще всего его применяли для подъема воды из колодцев. 

Более совершенным механизмом является лебёдка. Она представляет собой сочетание ворота с двумя зубчатыми колёсами разного диаметра. Лебедку можно рассматривать как комбинацию двух воротов. 

Многовековая практика доказала, что ни один из механизмов не даёт выигрыша в работе. Применяют же их для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или пути. Уже древним учёным было известно правило: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики. Его автором является древнегреческий учёный Герон Александрийский, живший в I веке н.э.

3. Практическая часть.

Изучив теоретический материал об истории рычага, о его первооткрывателе, о принципе действия и разновидностях я решил провести исследования.

3.1. Рычаги в технике и в быту.

В нашем современном мире рычаги находят широкое применение как в природе, так и в рукотворном мире, созданном человеком. Практически любой механизм, преобразующий механическое движение, в том или ином виде использует рычаги (Приложение 3).

Рычаги встречаются в разных частях тела человека и животных. Это, например, конечности, челюсти. Много рычагов можно увидеть в теле насекомых и птиц.

Рычаги так же распространены и в быту, это и водопроводный кран, и дверь, и различные кухонные приборы.

Правило рычага лежит в основе действия рычажных весов, различного рода инструментов и устройств, применяемых там, где требуется выигрыш в силе или в расстоянии.

Выигрыш в силе и в расстоянии мы можем наблюдать при работе с ножницами. Ножницы - это рычаг, ось вращения которого проходит через винт, соединяющий обе половины ножниц. В зависимости от назначения ножниц их устройство бывает различным. Ножницы, предназначенные для резки бумаги, имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки. Для резки бумаги не требуется большой силы, а длинным лезвием удобнее резать по прямой линии. В данном случае мы имеем выигрыш в расстоянии. Ножницы для резки листового металла имеют ручки гораздо длиннее лезвий, так как сила сопротивления металла велика и для ее уравновешивания плечо действующей силы приходится значительно увеличивать. Еще больше разница между длиной ручек и расстоянием режущей части и оси вращения в кусачках, предназначенных для перекусывания проволоки. Очевидно, что в этих случаях имеет место выигрыш в силе.

Рычаги используются и в других инструментах - это рукоятки тисков и верстаков, рычаги станков, плотницкие инструменты, инструменты спасателей и т. д.

Конечно же, рычаги различного вида распространены в технике. Самые простые примеры их применения – это рычаг переключения коробки передач в автомобиле, педали автомобиля или трактора, ручной тормоз велосипеда. 

Даже ручка швейной машины и клавиши пианино – это тоже рычаги.

Все мы любим спорт! И если внимательно посмотреть, то мы увидим, что в этой области также применяются рычаги. Прыжки в высоту с шестом очень наглядный пример, при помощи рычага длинной около трех метров и правильного приложения усилия, спортсмен взлетает на головокружительную высоту до шести метров. Кроме этого, рычагами снабжены многие спортивные снаряды. 

На любой строительной площадке работают экскаваторы и башенные подъемные краны - это сочетание рычагов, блоков, воротов. В зависимости от "специальности" краны имеют различные конструкции и характеристики. 

Широкое применение рычаги нашли и в сельском хозяйстве – тракторы, комбайны, сеялки и другие механизмы. 

Итак, в большинстве случаев простые механизмы (греч. "механэ" - машина, орудие) применяют для того чтобы получить выигрыш в силе.

3.2. Лабораторная работа

Оборудование: рычаг (линейка на опоре), набор грузов (кусочки сахара).

Цель: проверить на опыте, при каком соотношении сил и плеч рычаг находится в равновесии.

Ход работы.

1. Путем перемещения линейки уравновесил её так, чтобы она расположилась горизонтально.

2. Поместил на левую и правую часть рычага по одному кусочку сахара. Рычаг находится в равновесии (Приложение 4). Результаты измерений занес в таблицу (Приложение 5).

3. Путем проб изменял длину и количество кусочков сахара левой части рычага и устанавливал место на правом плече рычага, на которое следует положить определённое количество кусочков сахара, чтобы уравновесить рычаг. Результаты измерений заносил в таблицу.

4. Произвёл все необходимые расчеты. Проверил, подтверждают ли результаты опытов условия равновесия рычага.

5. Вывод: опытным путем проверил, что рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

3.3. Эксперименты в домашних условиях.

1. Яблоки. 

Я взял большое красное и маленькое зелёное яблоко. Поставил их на концы линейки, положенной серединой на круглый карандаш. Большое яблоко перетянуло, т.к. оно тяжелее. Если сдвинуть карандаш поближе к большому яблоку, то они уравновесятся. Когда я подвинул карандаш еще ближе к большому яблоку, то маленькое перевесило (Приложение 6).

2. Сколько силы в пальцах?

Я взял две круглые зубочистки. Положил одну зубочистку серединой на средний палец (ближе к ногтю), а на концы — указательный и безымянный. Попытался сломать зубочистку, надавив на нее указательным и безымянным пальцами. Передвинул зубочистку на середину пальца. Снова попытался сломать зубочистку. (Приложение 7). Когда зубочистка находилась на кончиках пальцев, сломать ее было почти невозможно (пальцы выполнили роль рычага второго рода, похожего на щипцы для колки орехов). Точка опоры находится там, где начинаются пальцы. Чем дальше от точки опоры находится зубочистка, тем больше силы нужно приложить.

3. Рычаг. 

Обыкновенная палка стала для человека рычагом - самым простым механизмом. На обычной палке очень удобно вдвоем переносить груз. Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.

Я взял не очень длинную палку, просунул ее под ручку чемодана и, пригласив на помощь товарища, мы приподняли вдвоем чемодан. Если чемодан находится точно посередине, то каждый из нас нагружен одинаково. Когда мы сдвинули чемодан к одному из концов палки, всё изменилось. Более легким груз стал для того, кто держит длинный конец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении. Руки каждого из нас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.

4. Открывалка.

Я пробовал пальцами рук открыть бутылку лимонада, но сил не хватало, как бы я не старался. Тогда я взял открывалку и без труда снял крышку. Открывалка - это рычаг 2-го рода (Приложение 8).

5. Ножницы.

Я пробовал разрезать ножницами лист картона. Резать кончиком ножниц очень тяжело и неудобно. А ели располагать картон у оси ножниц, то не требуется прикладывать особых усилий.

6. Я поднял папу!

Зная свойства рычага, я смог поднять папу! (Приложение 9).

4. Заключение.

В результате проведенной работы я узнал об истории рычага, о его первооткрывателе, о принципе действия и разновидностях.

Рычаги разных видов встречаются в повседневной жизни на каждом шагу:

- тачку легче везти, если у нее длинные ручки;

- гвоздь выдернуть легче, если гвоздодер имеет большую длину;

- гайку завернуть значительно легче ключом с длинной рукояткой.

Никогда не стоит забывать о «золотом правиле» механики, который упрощенно выглядит так: выигрыш в силе — проигрыш в пути. Иной раз стоит пожертвовать более коротким путем, чтобы выиграть в силе. Работа все равно будет одна и та же, но сделать ее легче потому, что увеличению пути соответствует и увеличение времени. А за больший промежуток времени работу сделать легче — это ясно каждому.

При конструировании машин бывает и наоборот, когда жертвовать приходится силой, чтобы выиграть в пути, выиграть во времени.

В процессе работы над темой я на собственном опыте убедился, что рычаг и его разновидности действительно дают человеку выигрыш в силе или в расстоянии, или применяются для удобства.

Материалы моего исследования несомненно пригодятся на уроках окружающего мира, а может быть, и на уроках физики.

Литература

1. Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов/ Пер. К.Мишиной, А.Зыковой. – М.: Издательство Эксмо, 2007.

2. Большая энциклопедия для дошкольника, - М.: Издательство ОЛМА-ПРЕСС, 1999.

3. Балашов М.М. Физика. – М.: Просвещение, 1994.

4. Физика.7 класс/ Пёрышкин А.В., Родина Н.А. – М.:Дрофа, 2003.

5. Я познаю мир. Детская энциклопедия – Мир прекрасного. – М.: Астрель, 2004.

Сайты в Интернете

• http://www.afizika.ru/zanimatelnieopyty

• https://ru.wikipedia.org/wiki/Рычаг

• http://5terka.com/node/1730

• http://allforchildren.ru/sci/perelman1-21.php

• http://allforchildren.ru/scivideo/physics7-50.php

Приложение 1

Схема рычага

Приложение 2

Блок и ворот как разновидности рычага

Приложение 3

Рычаги в технике и в быту

Приложение 4

Лабораторная работа

Приложение 5

Таблица: Условия равновесия рычага

F₁/F_{2 =} L₂/L₁

Приложение 6

Эксперимент с яблоками

Приложение 7

Эксперимент с зубочисткой

Приложение 8

Открывалка – рычаг

Приложение 9

Я поднял папу!