Рычаг. Простейшие механизмы

Рычаг. Простейшие механизмы

Люди давно столкнулись с ограниченностью своих физических возможностей, поэтому всегда стремились возместить ее какими-то техническими решениями.

Одним из первых таких решений стало изобретение рычага. Сейчас невозможно хотя бы приблизительно восстановить время и место первого осознанного применения человеком рычага. Скорее всего, первым рычагом стала палка, при помощи которой люди выдергивали из земли съедобные корни или выворачивали камни. Рычаг – это жесткий стержень, который может свободно поворачиваться относительно неподвижной точки, называемой точкой опоры. Примером рычага могут служить лом, молоток с расщепом, тачка, метла. Системой рычагов является и человеческое тело, в котором точками опоры служат суставы.

Рычаг дал человеку возможность выполнять перемещения, не прилагая иной силы, кроме силы своих мышц и веса своего тела. Количество работы, затрачиваемой на выполнение какого-либо действия, не менялось: выигрыш в силе оборачивался проигрышем в скорости – и наоборот.

В любом рычаге есть точки приложения сил, точка приложения нагрузки, точка опоры. Расстояние по перпендикуляру, опущенному из точки опоры на линию действия силы, называется плечом силы. Для того чтобы рычаг находился в равновесии, необходимо равенство произведений сил на соответствующие им плечи.

В зависимости от расположения точки опоры, точки приложения нагрузки и усилия существуют три вида рычагов. Выигрыш в силе рычага равен отношению расстояния от точки приложения силы к расстоянию от точки приложения нагрузки к точке опоры.

В рычаге первого рода, называемом «коромыслом», опора располагается между точками приложения сил. Для его равновесия необходимо, чтобы силы были направлены в одну сторону. Выигрыш в силе для рычага первого рода больше единицы.

В рычаге второго рода, называемом «тачка», обе силы приложены с одной стороны опоры, но расстояние от точки опоры до точки приложения силы больше, чем расстояние от точки опоры до точки приложения нагрузки. Для равновесия рычага второго рода необходимо, чтобы силы были направлены в разные стороны. Выигрыш в силе для рычага второго рода больше единицы.

В рычаге третьего рода, «пинцете», точка приложения силы находится между точкой опоры и точкой приложения нагрузки. Поскольку в нем плечо силы меньше плеча нагрузки, то в нем больше единицы выигрыш в скорости.

Теория равновесия рычага под действием силы тяжести была разработана Архимедом. Он уделял рычагам много внимания.

Кроме рычага человек с древних времен использовал другие простые механизмы: наклонную плоскость, блок, ворот, клин и винт.

Наклонная плоскость применяется для перемещения грузов на высоту без их отрыва от плоскости опоры. Примерами наклонной плоскости могут служить лестницы, эскалаторы и пандусы. Выигрыш в силе, который достигается применением наклонной плоскости, равен отношению пройденного пути к высоте, на которую поднялся груз. Поскольку первое расстояние всегда больше второго, то наклонная плоскость дает выигрыш в силе.

Ворот – это два соединенных друг с другом колеса, которые вращаются вокруг общей оси. Он применяется, например, для поднятия ведра с водой из колодца. Ворот является рычагом первого рода, поэтому может давать выигрыш как в силе, так и в скорости. Это зависит от радиуса колес, к которым прилагается нагрузка и усилие.

Блок представляет собой колесо, по окружности которого проходит желоб, предназначенный для цепи или каната. Блок предназначен для подъема грузов. Одиночный блок может иметь закрепленную ось (уравнительный блок) либо быть подвижным.

Уравнительный блок представляет собой рычаг первого рода с точкой опоры на оси. Плечо усилия и плечо нагрузки равны радиусу блока, поэтому выигрыш в силе и скорости равны единице.

В подвижном блоке нагрузка расположена между точкой опоры и усилием, поэтому это – рычаг второго рода. Плечо нагрузки равно радиусу блока, плечо усилия равно его диаметру. Для подвижного блока выигрыш в силе равен двум. Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать для увеличения выигрыша в силе.

Система блоков и канатов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспастом.

Клин, по сути, является сдвоенной наклонной плоскостью. Но если наклонная плоскость является неподвижной, а груз движется по ней, то клин, наоборот, входит в место приложения нагрузки. Выигрыш в силе, получаемый при помощи клина, равняется отношению длины к толщине более широкого конца. Расклинивающая сила, действующая в направлении, перпендикулярном движению клина, может превосходить продольную в 4–5 раз. Клин применяется в инструментах, производящих откалывающее и режущее действия (топор, нож, швейная игла), или в качестве регулирующего элемента. Клиновые соединения применяются для зажима деталей. Кроме того, клин служит для передачи поступательного движения под углом.

Винт – это наклонная плоскость-резьба, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления наклона резьба может быть левой и правой. Резьба на винте и сопрягающейся детали должна совпадать. Примерами простых механизмов, в которых применяется винтовая резьба, являются болт и гайка, тиски, домкрат. Резьба, как разновидность наклонной плоскости, дает выигрыш в силе. Выигрыш в силе равен отношению расстояния, которое проходит точка приложения силы за один оборот, к расстоянию, которое проходит нагрузка по оси винта. Расстояние между двумя соседними витками называется шагом резьбы.

Иногда простыми механизмами называют лишь рычаг и наклонную плоскость. Блок и ворот считают разновидностями рычага, а клин и винт – наклонной плоскости.

Более сложные механизмы, созданные человечеством в ходе развития техники, представляют собой вариации и сочетания вышеперечисленных простых механизмов.