Простые механизмы

Механизмом в физике называется приспособление для преобразования силы (её увеличения или уменьшения). Например, прикладывая небольшое усилие в одном месте механизма, можно получить значительно большее усилие в другом его месте.

Один вид механизма нам уже встретился: это гидравлический пресс. Здесь мы рассмотрим так называемые простые механизмы — рычаг и наклонную плоскость.

Рычаг

Рычаг — это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси.

Рис. 1. Рычаг

На рис. 1 изображён рычаг с осью вращения O. К концам рычага (точкам A и B) приложены силы F1 и F2. Плечи этих сил равны соответственно l1 и l2.

Условие равновесия рычага даётся правилом моментов: F1l1 = F2l2, откуда

�1�2=�2�1F2​F1​​=l1​l2​​

Из этого соотношения следует, что рычаг даёт выигрыш в силе или в расстоянии (смотря по тому, с какой целью он используется) во столько раз, во сколько большее плечо длиннее меньшего.

Например, чтобы усилием 100 Н поднять груз весом 700 Н, нужно взять рычаг с отношением плеч 7 : 1 и положить груз на короткое плечо. Мы выиграем в силе в 7 раз, но во столько же раз проиграем в расстоянии: конец длинного плеча опишет в 7 раз б´ольшую дугу, чем конец короткого плеча (то есть груз).

Примерами рычага, дающего выигрыш в силе, являются лопата, ножницы, плоскогубцы. Весло гребца — это рычаг, дающий выигрыш в расстоянии. А обычные рычажные весы являются равноплечим рычагом, не дающим выигрыша ни в расстоянии, ни в силе (в противном случае их можно использовать для обвешивания покупателей).

Неподвижный блок

Важной разновидностью рычага является блок — укреплённое в обойме колесо с жёлобом, по которому пропущена верёвка. В большинстве задач верёвка считается невесомой нерастяжимой нитью.

На рис. 2 изображён неподвижный блок, т. е. блок с неподвижной осью вращения (проходящей перпендикулярно плоскости рисунка через точку O).

Рис. 2. Неподвижный блок

На правом конце нити в точке D закреплён груз весом P. Напомним, что вес тела — это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. В данном случае вес P приложен к точке D, в которой груз крепится к нити.

К левому концу нити в точке C приложена сила F.

Плечо силы F равно OA = r, где r — радиус блока. Плечо веса P равно OB = r. Значит, неподвижный блок является равноплечим рычагом и потому не даёт выигрыша ни в силе, ни в расстоянии: во-первых, имеем равенство F = P, а во-вторых, в процессе движении груза и нити перемещение точки C равно перемещению груза.

Зачем же тогда вообще нужен неподвижный блок? Он полезен тем, что позволяет изменить направление усилия. Обычно неподвижный блок используется как часть более сложных механизмов.