Исследовательская работа" Простые механизмы"

Разработка исследовательской работы

«Простые механизмы  вокруг нас»

Учителя физики  МБОУ «Чистенской   школы-гимназии»

                                                                       Быковой Н.В.

Содержание:

1.      Введение………………………………………………3-4   

2.     Цели и задачи………………………………………….4

3.     Основная часть…………………………………………5-19

3.1            История первых рычагов…………………………. 5

3.2            Архимед и его открытия ………………………….6-7

3.3            Египетские пирамиды………………………………8-9               

3.4            Виды простых механизмов ……………………10-12

3.5            Рычаги в теле человека   …………………….. 12-13

3.6            Рычаги в природе ………………………………….14-15

3.7            Рычаги в технике и в быту  ……………………15-17

3.8            Экзоскелеты  ……………………………………….. 17-19

4.     Практическая часть  ………………………………20-23                    

4.1  Изучение рычага скорости руки человека

4.2  Определение выигрыша в силе болта

4.3  Определение выигрыша в силе с помощью ножниц

4.4  Экспериментальное задание 1

4.5 Экспериментальное задание 2

5. Вывод  ………………………………………………………… 24

6. Список литературы ……………………………………..25

«Дайте мне точку опоры, и я переверну мир»

                                                                                                              Архимед

1.  Введение.

Я задалась вопросом: может ли человек удержать на весу 100 тонн, можно ли рукой расплющить железо, может ли ребенококазать противодействие силачу? Да, мо­гут.

Автомашину массой в несколько тонн шофер легко приподнимает при помощи домкрата. Домкрат - это простой механизм, который дает выигрыш в силе примерно в 40-50 раз. Ножницы, плоскогубцы, клещи, кусачки и мно­гие другие инструменты - все это рычаги.

Сдвигая колечки ножниц или ручки кусачек, взрослый человек действу­ет обычно с силой в 40-50 H. Так как одно плечо может превысить другое раз в 20, то оказывается, что мы способны «вгрызаться в металл» с силой в 1000 H. И это при помощи столь несложного инструмента!

Утверждают, что великий ученый Архимед как-то писал сиракузскому царю Гиерону: «Если бы была другая Земля, я перешел бы на нее и сдвинул бы нашу Землю».

Что такое рычаг и почему он так увеличивает силу человека? Какие ещё простые механизмы существуют? Какими еще свойствами обладает рычаг и другие простые механизмы? Как используют их люди? Как можно еще применить рычаг? Исследованию этих вопросов мы посвятили свою исследовательскую работу.

Основополагающий вопрос

Зачем нужны простые механизмы для выполнения работы?

Проблемные вопросы

Какие виды простых механизмов существуют? Для чего нужны простые механизмы? Где простые механизмы встречаются в природе? Дают ли простые механизмы выигрыш в силе? Дают ли простые механизмы выигрыш в скорости? Есть ли простые механизмы во мне?

2. Цели и задачи

Цель: выявить значимость применения простых механизмов

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить литературные и электронные источники информации.

2. Познакомиться с историей развития рычагов и узнать как люди использовали рычаги.

3.Выяснить какие есть разновидности рычагов и какой они дают выигрыш в силе.

4.Проделать исследовательскую работу, доказывающую выигрыш в силе простых механизмов: ножниц и болтов.

.

3.1 История первых рычагов

Рычаг — простейший механизм, представляющий собой балку, вращающуюся вокруг точки опоры.

Рычаг относится к простейшим механизмам. Представляет собой жёсткую балку, имеющую возможность вращаться вокруг точки опоры (подвеса). Части балки от точки опоры до точки приложения сил, называют плечами рычага.Частными случаями рычага являются также два других простейших механизма: Дифференциальный ворот и Блок.

Человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Такие инструменты, как мотыга или весло, применялись, чтобы уменьшить силу, которую необходимо было прикладывать человеку. В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия. Позже, в Греции, был изобретён безмен, позволивший изменять плечо приложения силы, что сделало использование весов более удобным. Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф (колодец с «журавлём»), прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой.

Пример составного рычага, используемого в повседневной жизни, можно найти в щипчиках для ногтей.В современном мире принцип действия рычага используется повсеместно. Практически любой механизм, преобразующий механическое движение, в том или ином виде использует рычаги. Подъёмные краны, двигатели, плоскогубцы, ножницы, а также тысячи других механизмов и инструментов используют рычаги в своей конструкции.

3.2 Архимед и его история рычагов

Архимед родился в Сиракузах на острове Сицилия в 287 году до нашей эры.Архимед получил хорошее образование, и начал творческую деятельность как инженер, создавая различные механические приспособления, широко использовавшиеся в строительстве и быту.

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.

Первое письменное объяснение дал в III веке до н. э. Архимед, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит как: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы — это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки — это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры». По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!».Правда сделать это при своей жизни он бы не смог. Ведь для того чтобы поднять Землю хотя бы на один сантиметр, неимоверно длинный рычаг пришлось бы двигать десятки миллионов лет (со скоростью 1 сантиметр в минуту).

3.3 Египетские пирамиды

Египетские пирамиды – это гробницы фараонов, царей Древнего Египта.Строительство пирамид велось приблизительно с 2700 по 1800 год до нашей эры. Каждый фараон, вступив на престол, начинал строить пирамиду, в которой после смерти он будет погребен. И чем могущественнее и богаче был фараон, тем величественнее была его гробница. Как же возводились эти самые грандиозные архитектурные сооружения древности?

Возьмем, например, пирамиду фараона Хуфу (Хеопса). Ее еще называют Великой, так как она – самая большая из всех сохранившихся пирамид и самая изученная.Подсчитана общая масса каменных блоков, обработанных и уложенных в пирамиду. Она равна 6.5 миллионам тонн.

Деревянные рычаги, установленные на краях пирамиды, можно было использовать для поднятия блоков на следующий уровень.

Главным подъемным приспособлением египтян была наклонная плоскость - рампа. Остов рампы, то есть ее боковые стороны и перегородки, на небольшом расстоянии друг от друга пересекавшие рампу, строились из кирпича; пустоты заполнялись тростником и ветвями.

Технология строительства пирамид вызывает споры и в наше время. Версии разнятся от изобретения в Древнем Египте бетона до постройки пирамид инопланетянами. Но все же считается, что пирамиды построил человек исключительно своей силой. Так для добычи каменных блоков сначала в скале намечали форму, выдалбливали канавки и в них вставляли сухое дерево. Позже дерево обливали водой, оно расширялось, в скале образовывалась трещина, и блок отделяли. Затем его обрабатывали до нужной формы инструментами и отправляли по реке на стройку.

Для подъема блоков наверх египтяне использовали пологие насыпи, по которым на деревянных санях затаскивали эти мегалиты. Но даже при такой отсталой по нашим меркам технологии качество работы удивляет — блоки плотно прилегают друг к другу с минимальными несовпадениями.

Камни пирамиды так плотно «пригнаны», что между ними невозможно просунуть даже лезвие ножа. Чтобы поднять блоки, египтяне строили из кирпича и камня наклонную насыпь с углом подъема около 15. Когда основное сооружение было закончено, оно напоминало ряд ступеней. По мере того как сооружалась пирамида, насыпь удлиняли. Возможно, использовали и деревянные сани, на которых глыбы втаскивались сотнями рабов наверх. Кое-где были найдены следы от этих повозок.

3.4  Виды простых механизмов

С самой древности человек пытается облегчить свой труд. Для этого он применяет различные приспособления. Что собой представляют простейшие механизмы? Какие существуют разновидности этих приспособлений?

Простые механизмы (от греч. "машина, орудие") – устройства, дающие выигрыш в силе. Некоторые из этих приспособлений появились в самой древности. Простые механизмы могут являться самостоятельными устройствами либо быть элементами более сложных агрегатов. В зависимости от типа конструкции определяется и сфера применения того или иного приспособления. Использование простых механизмов существенно облегчает человеческую деятельность. Такие устройства дают выигрыш в силе. К примеру, клин, который вбивается в полено, обладает большей силой, чем сам удар по приспособлению. Поэтому дерево быстро распирает в разные стороны. Вместе с этим, удар на клин приходится сверху вниз, а части полена раздвигаются в стороны. То есть в данном случае происходит еще и преобразование в направлении движения.

Принято выделять шесть простейших механизмов, из которых четыре являются разновидностью двух основных:

Наклонная плоскость — простой механизм в виде плоскости , установленной под острым углом к горизонтальной поверхности.

Клин — позволяет увеличить давление за счёт концентрации силы на малой площади. Используется в копье, лопате, пуле и др.

Винт — используется в шурупах, для подъёма воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях, отбойных молотках и др.

Рычаг — описан Архимедом. Используется для подъёма тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (шатун-кривошип — используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).

Ворот — используется для подъёма воды в колодцах, для ременной передачи и др.

Блок — колесо с жёлобом, по которому пропускают верёвку, трос или цепь. Применяется для изменения величины или направления силы.

Колесо — используется на транспорте и в зубчатых передачах. Наиболее ранние находки колёс встречаются на территории современной Румынии (неолитическая культура Кукутени — Триполье) и датируются последней четвертью V тысячелетия до н. э.

Поршень — позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется в огнестрельном оружии и паровой машине.

Как стало ясно, простые механизмы существенно облегчают труд человека. Они могут состоять из одной или нескольких деталей. При этом даже при наличии двух и более элементов могут оставаться простыми, но могут являться и достаточно сложными.

3.5 Рычаги в теле человека

Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвонок), фаланги пальцев.

Главные кости и мышцы руки человека. Основными рабочими мышцами руки являются бицепс и трицепс. Когда человек поднимает одной рукой

предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется.

Ось вращения черепа проходит через сочленение черепа с первым  позвонком.  Спереди от точки опоры на коротком плече действуетсила  тяжести  головы,  позади –  сила F  тяги  мышц  и  связок, прикрепленных к затылочной кости.

Действие стопы при подъеме на полупальцы.

 Опорой рычага в том случае служит головка  плюсневых костей. Преодолеваемая сила –вес тела, приложена к таранной кости. Мышечная сила, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и  приложена  к выступу пятки.

3.6  Рычаги в природе

Законы физики используются не только в работе приборов и машин, но и распространяются на явления живой природы. Однако в живой природе многие из этих законов не проявляются в открытом виде, поэтому подметить их может только опытный глаз наблюдателя.

В скелете животных все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами: у кошек рычагами являются подвижные когти; - у многих рыб – шипы спинного плавника; - у членистоногих – большинство сегментов их наружного скелета; - у двустворчатых моллюсков – створки раковины.

«Колющие орудия» многих животных – когти, рога и зубы – по форме напоминают клин (видоизменённая наклонная плоскость). Клину подобна и заострённая форма головы быстроходных рыб. Многие из этих клиньев имеют очень гладкие твёрдые поверхности, чем и достигается их большая острота.

В цветке шалфея для загрузки насекомых пыльцой. Цветок на растении располагается горизонтально. Нижняя его губа служит очень удобной посадочной площадкой для шмелей. Отсюда насекомое начинает путь внутрь цветка, к нектару. Но тут на его дороге встает «шлагбаум» - две тычинки. Они прикреплены к цветку так, что короткая и твердая нижняя часть каждой из них является одним плечом рычага, а верхняя длинная, на которой качается пыльник, - это другое плечо. Шмель пытается проникнуть внутрь цветка, нажимает на нижнее плечо, верхнее при этом опускается, и пыльники вымазывают пыльцой спинку насекомого.

3.7 Рычаги в технике и быту

Рычаги так же распространены и 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.

Примером могут служить ножницы, кусачки, ножницы для резки металла. 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.

Рычаги различного рода имеются у многих машин. Ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, педали автомобиля и трактора, клавиши пианино – все это примеры рычагов, используемых в данных машинах и инструментах.Плоскогубцы, клещи, гвоздодер, ножницы, коромысло с ведрами, щипцы, «журавль» для поднятия воды из колодца, рычажные весы, качели деревянные, ключ для отворачивания гаек при разборке и сборке деталей машин – это только малая часть инструментов и приспособлений, в основе действия которых лежит правило рычага.

3.8 Экзоскелеты

Люди всегда мечтали стать сильнее, чем они есть на самом деле. А некоторые из них старались свои мечты воплощать в жизнь. Первым таким изобретением стал рычаг, потом блок и канат для подъема грузов. При помощи этих нехитрых приспособлений человек может поднять груз намного тяжелее своего тела. Но ведь хочется большего. Хочется без блоков и канатов, без рычагов, своими руками.

Экзоскелет—это усилитель человеческих мускулов, Это такая штука, которая делает человека во много крат сильнее — такие машины очень нужны в армии.

Первый экзоскелет был совместно разработан GeneralElectric и UnitedStatesmilitary в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным.

ЭкзоскелетReWalk, разработанный ReWalkRobotics, позволяет парализованным людям ходить. Новая система, по словам исследователей, может применяться пациентами в повседневной жизни.

Перчатка-экзоскелетFesto

Перчатка-экзоскелет. НПО «Андроидная Техника»

Главная проблема разработчиков экзоскелетов – задержка управления (время отклика, задержка срабатывания). Задержка управления это время разгона приводом части машины до максимальной скорости и последующего торможения до нуля с учетом упругих деформаций, люфтов машины. Для реверсивных машин (экзоскелет) задержка управления это половина времени цикла «разгон – торможение – реверсивный разгон – торможение» с учетом упругих деформаций, люфтов машины.

4. Практическая часть

4.1 Практическая работа 1.

Изучение рычага скорости руки человека

Приборы и материалы: линейка, рисунок руки

Рассматриваю  собственную руку. Локоть – точка опоры этого рычага.

Одна из сил  (F2) приложена к ладони. Плечо этой силы (l1) – расстояние от локтя примерно до середины ладони.

Вторая сила (F1)  – это сила напряжения бицепса, который прикреплен к рычагу совсем недалеко от локтя. Плечо второй силы (l2) намного меньше плеча первой.

Ход выполнения работы

 Измеряю плечи сил на собственной конечности.Место соединения бицепса и кости-рычага хорошо прощупывается, и оцениваю расстояние от локтя до этого места.

Сила мышц руки для удержания в равновесии груза массой 5 кг из условия равновесия рычага .

Вывод:рука человека как рычаг проигрывает в силе  в 8 раз, но выигрывает в скорости.

Рука-это рычаг скорости.

Вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как и согнутой рукой. Когда рука вытянута , то направление действия мышечной силы составляет малый угол с продольной осью вращения рычага, надо увеличить мышечное усилие.

4.2 Практическая работа 2.

Определение выигрыша в силе болта.

Приборы и материалы: линейка, штангенциркуль, нить.

Ход работы.

1.      Определяю шаг винта. Для этого измеряю расстояние между определенным числом зубьев и разделяю  на число зубьев.

2.  Измеряю диаметр винта и рассчитываю  длину окружности винта.

М14*1.5

D -14 мм

Шаг болта –h=1.5 мм

L=Пd длина окружности 3, 14*14мм

L=3, 14*14мм=43,96

3. Определяю выигрыш в силе данного винтаlделим на h

Вывод: Болт, имея большой шаг резьбы, дает меньший выигрыш в силе.

Чем больше выигрыш в силе, тем меньше угол наклона плоскости.

Для сравнения: горные дороги имеют вид серпантина, чем меньше крутизна, тем легче по ним ехать.

4.3 Практическая работа 3.

Определение выигрыша в силе с помощью ножниц

Приборы и материалы: ножницы для бумаги, кусачки.

Ход работы.

1.Определяю плечи сил ножниц для  бумаги

Равно 9см

2.Определяю плечи сил  для кусачек

==

3. Определяю плечи сил ножниц по металлу

==

Вывод: Выяснила, что больший выигрыш в силе дают кусачки, предназначенные для перекусывания проволоки. Чем больше длина плеча, тем меньше прикладываем силы.Ножницы – рычаг 1-го рода, ось вращения которого проходит через винт, соединяющий обе их половины. Действующей силой F1 является мускульная сила руки человека, сжимающего их; противодействующей силой F2 – сопротивление того материала, который режут ножницами. В зависимости от назначения ножниц их устройство различно. Ножницы для резки бумаги не требуют большой силы, а длинным лезвием удобнее резать по прямой линии. Поэтому они имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки. У ножниц для резки листового металла 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 от оси вращения в кусачках, предназначенных для перекусывания проволоки

4.4 Экспериментальное задание 1

Изготовить модель механизма, сочетающего в себе рычаг с подвижным блоком, с помощью которого можно получить выигрыш в силе 8 раз.

4.5 Экспериментальное задание 2

Сколько силы в пальцах?

 Я взяла две круглые зубочистки. Положила одну зубочистку серединой на средний палец (ближе к ногтю), а на концы — указательный и безымянный. Попыталась сломать зубочистку, надавив на нее указательным и безымянным пальцами. Передвинула зубочистку на середину пальца. Снова попыталась сломать зубочистку. 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.

5. Вывод.

 В результате исследовательской работы над данной темой я  научилась определять выигрыш в силе различных простых механизмов.

 Сила человека ограничена, поэтому он часто применяет приспособления (механизмы), которые преобразовывают его силу в силу существенно большую, т. е. получают выигрыш в силе;

-при использовании простых механизмов выполняется «золотое правило» механики: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии;

-простые механизмы широко применяются в практической деятельности;

- простые механизмы применяют при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу;

-различные простые механизмы, которые нас окружают, позволяют получить выигрыш в силе или расстоянии, делая нашу жизнь удобнее;

- простые механизмы не дают выигрыша в работе;

 - человек применяет простые механизмы, хотя часто даже не подозревает о его использовании. Поэтому нам необходимо знать и учитывать особенности их действия.

Мне понравилось изучать тему: простые механизмы, которые используются в быту, в технике, в природе, в строительстве и практически везде. Я  буду продолжать изучение этой интересной темы. Надеюсь что мои одноклассники   заинтересуются этой темой.  

6. Литература

1.  А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. Физика. Учебник для общеобразовательных учреждений. 7–й класс.— М: Дрофа, 2009,

2.  Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX века). – М.:

3. ГальперштейнЛ. М., Забавная физика, 1993 год

4. Горев Л. А. Занимательные опыты по физике, 1995 год

5. Электронные ресурсы