В классической механике есть что то напоминающее зевса
Конспект урока Естествознание, 11 класс Урок 4. От законов механики к механическим устройствам
Естествознание, 11 класс
Урок 4. От законов механики к механическим устройствам
Приспособления, служащие для преобразования силы, называют простыми механизмами.
Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.
Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей.
Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее поло. Закон постоянства состава: Многие вещества, независимо от нахождения в природе или способа получения их в лаборатории, всегда имеют один и тот же состав.
Золотое правило механики: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии.
Закон сохранения энергии: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается неизменной.
Под полной механической энергией понимаем сумму кинетической и потенциальной энергий тел, составляющих систему.
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Механические устройства появились еще до окончательного формирования науки механики, начиная от создания жилищ, мельниц, заканчивая различными средствами для передвижения, которые в настоящее время заменяют уже робототехническими механизмами. Как же, не зная научных теорий и закономерностей человек это осуществлял? И надо ли их знать и уметь использовать, чтобы жить в современном мире?
Одним из чудес света является статуя Зевса. В облике Зевса сочетаются властность и милосердие, мудрость и доброта. В классической механике есть что-то напоминающее Зевса. Фундаментальное правило, которому подчиняются все механизмы.
О том, как усилить воздействие, человек задумывался с давних времен, создавая простые механизмы. Построенные Архимедом мощные метательные машины забрасывали римские войска тяжёлыми камнями. Он же автор знаменитых слов: «Дайте мне точку опоры, и я передвину Землю!»
Рассмотрим подробнее принцип действия простейшего механизма-рычага. Пусть имеется некоторое устройство (Рис. 1). На входе устройства (точка A) подействуем на него с силой FA. При перемещении точки A на величину ΔxA мы совершаем над устройством работу ΔAвх = FAΔxA.
Рис.1. Принцип действия рычага
Если энергия устройства изменяется, то работа на выходе устройства может быть как больше, так и меньше работы на входе. При уменьшении энергии устройства оно совершает работу над внешними телами, и работа на выходе становится больше работы на входе. В этом случае механическое устройство является двигателем. Для работы двигателя необходим, как всегда, некоторый источник энергии.
Если энергия устройства увеличивается, то работа на выходе оказывается меньше, чем работа на входе. Устройство само потребляет энергию. Иногда эта энергия может запасаться в виде механической энергии. Например, можно поднимать некоторый груз (накапливать потенциальную энергию), или раскручивать некоторый маховик (накапливать кинетическую энергию). За счет накопленной энергии впоследствии устройство может совершить работу. В этом случае действие устройства аналогично аккумулятору.
Вывод: используя рычаг, выигрыша в работе не получают. Если мы выигрываем в силе, то проигрываем в пути и наоборот.
Таким образом, ни один из простых механизмов не дает выигрыша в работе. Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в расстоянии. Уже древним ученым, было, известно правило, применимое ко всем механизмам: Во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики.
Его первооткрывателем считают Герона Александрийского, которому принадлежит описание пяти типов простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Посмотрите на приведенные примеры и вспомните простые механизмы, основанные на этом правиле.
Во всех реальных механизмах, помимо всего прочего, часть механической энергии переходит в тепло в силу наличия трения между подвижными элементами.
Из этого следует, что в реальных устройствах, не являющихся двигателями, мы всегда проигрываем в работе. Золотое правило механики, таким образом, точно выполняется только в идеализированных системах.
Зачем же нужны такие устройства, которые не дают выигрыша в работе, а лишь передают энергию от одной точки к другой? Первый ответ следует из принципа действия рычага – мы можем получить выигрыш в силе. В некоторых случаях, например, механические часы, необходимо замедлить скорость на выходе.
В часах необходимо замедлить скорость движения стрелок по сравнению со скоростью движения маятника.
Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.
Редукторы могут состоять из шестерен, как в часах, а также из цепей, ремней, шкивов и т.д.
Предназначение этих устройств легче всего понять на основе редуктора велосипеда, состоящего из звездочек и цепи.
В зависимости от передаточного соотношения один оборот педалей может соответствовать разному числу оборотов колеса. При движении в гору выгодно, чтобы колесо крутилось медленнее, при этом сила человека на педали будет наименьшей. Напротив, при движении под гору выгоднее, чтобы колесо крутилось быстрее, при этом за один оборот педалей велосипед проедет большее расстояние.
В любом редукторе действует сила трения, ухудшающая его работу. Но и без этой силы многие механизмы не смогли бы функционировать.
Будет ли движение автомобиля более эффективным, если «вредная» сила трения исчезнет? Увы, в отсутствии силы трения мы получили бы обратный результат, автомобиль, подобно санкам мог бы только катиться под гору. Именно сила трения, а не мифическая «сила тяги», как иногда можно услышать, движет автомобиль. Конечно же, автомобиль движется вследствие работы двигателя. Но в отсутствие силы трения между колесами и дорогой двигатель может только заставить крутиться колеса без движения автомобиля. Именно это происходит при плохом сцеплении колес с дорогой. Сила трения здесь играет важную положительную роль и усилия многих изобретателей и инженеров направлены на то, чтобы увеличить силу трения между колесами и дорогой. Таким образом, сила трения играет важную роль при механическом движении. В некоторых случаях эта роль отрицательна и силу трения следует уменьшать, в других случаях ее нужно увеличивать.
Одной из важных прикладных задач механики является исследование устойчивости различных конструкций. Любая неподвижная конструкция находится в положении механического равновесия. Из законов механики следует, что система находится в положении равновесия, если сумма всех сил и сумма всех моментов сил, действующих на каждый из элементов конструкции, равны нулю. Различные типы равновесия тела на опоре представлены на рисунке: а) устойчивое равновесие; б) неустойчивое равновесие; в) безразличное равновесие.
Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее положение. Когда речь идет о различных сооружениях в большинстве случаев инженеров интересует именно устойчивое равновесие. Все здания, такие инженерные сооружения, как мосты, вышки должны находиться в положении устойчивого равновесия.
Законы устойчивого равновесия необходимо соблюдать при строительстве, особенно в сейсмически неустойчивых районах Земли.
Проблемы механической устойчивости оказываются связанными с проблемами экономической целесообразности.
• Механические устройства облегчают жизнь человека с древних времен.
• Сила трения играет важную роль при механическом движении. Её можно увеличивать или уменьшать для достижения необходимого эффекта.
• При проектировании различных сооружений обязательно решается задача на механическую устойчивость.
Конструкции должны находиться в состоянии устойчивого положения равновесия при изменении множества факторов, действующих в процессе эксплуатации
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. Выберите один правильный ответ. «Золотое правило» механики является:
Шаталов
Алгебраические волны, Шаталов В.Ф., 2005
Алгебраические волны, Шаталов В.Ф., 2005.
Вседоступная лёгкость алгебры состоит в тысячекратных повторах одних и тех же действий, в тесной взаимосвязи не столь уж многих разделов, объединённых стройной системой повторения и углубления базовых знаний. Во всей полноте это раскрывается в самостоятельном изучении ТРИГОНОМЕТРИИ, в строгой систематизации курсов физики и геометрии. Дорого, слишком дорого далось стране вожделенное и вполне объяснимое стремление М.А. Прокофьева заполучить на грудь звезду Героя Социалистического Труда. Уж как неловко ему было присутствовать на заседаниях Совета министров в окружении золотых созвездий министров угольной, сельскохозяйственной, автомобильной и всех прочих промышленностей!
Именно поэтому всем, кто держит в руках эту книгу, на десятки лет вперёд поручается довести до конца дело возврата тригонометрии в самостоятельный учебный предмет. Автору, исходя из возраста, дожить до этого, возможно, и не придётся.
Изустная алгебра, Шаталов В.Ф., 2007
Изустная алгебра, Шаталов В.Ф., 2007.
КТО СТАНЕТ АВТОРОМ СОТОЙ?
Изустная алгебра, Шаталов В.Ф., 2009
Изустная алгебра, Шаталов В.Ф., 2009.
КТО СТАНЕТ АВТОРОМ СОТОЙ?
Это происходило многократно. После семинаров по математике, а они проводились ежемесячно на протяжении 30 лет, в Донецк приходило, как минимум, одно письмо со странной просьбой о приглашении ещё раз на этот же семинар. Зачем? Мотивация была предельно откровенной и убедительной. «После двух месяцев работы в новом методическом режиме мне стало до боли сердечной понятно, что я НЕ УМЕЮ ГОВОРИТЬ». Три четверти писем, и это понятно, шли от молодых учителей, но ещё более понятно, что на обнажённую откровенность возрастному учителю решиться безмерно трудно — письма такого содержания приходили от них много реже.
Точка опоры, Шаталов В.Ф., 1987
Точка опоры, Шаталов В.Ф., 1987.
Каждый из нас, и те, кто только начинает работать в школе, и те, кто отдал ей не один десяток лет, задает себе вопрос: в чем суть профессии учителя, чем притягивает эта внешне вроде бы однообразная работа? Вопрос этот из ряда «вечных», и каждый отвечает на него по-своему. Сейчас, когда за плечами более 30 лет педагогического стажа, я ответил бы на него так: ни с чем не сравнимая радость стоять у колыбели мысли и личности ученика, возможность видеть невидимое для многих — процесс взросления, становления человека. И я, учитель, не просто причастен к тайному тайных, от меня зависят и направление, и скорость, и сам характер этого самого сложного и ответственного процесса.
Теория графов, Белов В.В., Воробьев Е.М., Шаталов В.Е., 1976
Теория графов, Белов В.В., Воробьев Е.М., Шаталов В.Е., 1976.
В учебном пособии рассматриваются некоторые элементы теории графов; выделяются топологические, комбинаторные и прикладные аспекты теории. Большое внимание уделяется алгоритмам решения задач теории графов.
Предназначается для студентов факультетов прикладной математики втузов.
Естествознание, 11 класс, учебник для общеобразовательных учреждений, базовый уровень, в 2 частях, часть 1, Алексашина И.Ю., Ляпцев А.В., Шаталов М.А., 2008
Естествознание, 11 класс, учебник для общеобразовательных учреждений, базовый уровень, в 2 частях, часть 1, Алексашина И.Ю., Ляпцев А.В., Шаталов М.А., 2008.
§3. Техника и человеческие потребности: насущное и избыточное
Здоровье — важнейшая общечеловеческая цен ность. Опишите роль техники в решении медицинских и иных проблем охраны и укрепления здоровья человека. Правомочно ли мнение о том, что техника нарушает природный закон выживания сильнейших?
Значительную часть времени человек проводит у себя дома. Дом — место отдыха, досуга, общения с близкими людьми и друзьями, а для кого-то это место ведения индивидуального хозяйства. Нужна ли техника человеку в построении своего домашнего очага? В каких бытовых ситуациях техника — плохой помощник человеку?
Дома, на работе и улице, в мире в целом каждый человек хочет чувствовать себя в безопасности. В обеспечении этой безопасности задействованы значительные человеческие ресурсы: работники спецслужб, военнослужащие и т. д. Могут ли они гарантировать нам надежную защиту без техники? От использования какой техники человечеству стоило бы отказаться навсегда?
Статуя Зевса.
Одним из чудес света является статуя Зевса. В облике Зевса сочетаются властность и милосердие, мудрость и доброта. В классической механике есть что-то, напоминающее Зевса. Можете ли вы объяснить, что именно?
Химия, 11 класс, Базовый уровень, Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А., 2012
Химия, 11 класс, Базовый уровень, Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А., 2012.
Учебник предназначен для изучения химии в старшей школе на базовом уровне. Предложенный курс ориентирован на обобщение и систематизацию освоенного ранее материала. Информация для углублённого изучения выделена шрифтом, отличающимся от основного.
Уголовно-процессуальное право Российской Федерации в схемах, Шаталов
Название: Уголовно-процессуальное право Российской Федерации в схемах.
Автор: Шаталов А.С.
Учебное пособие содержит комплекс многоуровневых структурно-логических схем с изложением практически всех положений Уголовно-процессуального кодекса Российской Федерации и предназначено для улучшения восприятия, изучения и запоминания действующих нормативных положений одноименной отрасли права. При разработке схем автором использовалась функционально-целевая технология системного анализа и синтеза, позволяющая наглядно интерпретировать процессуальные процедуры с учетом специфики российского уголовного судопроизводства. Автору учебного пособия удалось посредством оптимального сочетания текстовых и графических изображений сделать наглядной и соответственно более понятной суть многих норм закона.
Предназначено для студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава учебных заведений юридического профиля. Будет полезным судьям, сотрудникам правоохранительных органов Российской Федерации, адвокатам.
Естествознание. 11 класс
Конспект урока
Естествознание, 11 класс
Урок 4. От законов механики к механическим устройствам
Приспособления, служащие для преобразования силы, называют простыми механизмами.
Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.
Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей.
Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее поло. Закон постоянства состава: Многие вещества, независимо от нахождения в природе или способа получения их в лаборатории, всегда имеют один и тот же состав.
Золотое правило механики: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии.
Закон сохранения энергии: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается неизменной.
Под полной механической энергией понимаем сумму кинетической и потенциальной энергий тел, составляющих систему.
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Механические устройства появились еще до окончательного формирования науки механики, начиная от создания жилищ, мельниц, заканчивая различными средствами для передвижения, которые в настоящее время заменяют уже робототехническими механизмами. Как же, не зная научных теорий и закономерностей человек это осуществлял? И надо ли их знать и уметь использовать, чтобы жить в современном мире?
Одним из чудес света является статуя Зевса. В облике Зевса сочетаются властность и милосердие, мудрость и доброта. В классической механике есть что-то напоминающее Зевса. Фундаментальное правило, которому подчиняются все механизмы.
О том, как усилить воздействие, человек задумывался с давних времен, создавая простые механизмы. Построенные Архимедом мощные метательные машины забрасывали римские войска тяжёлыми камнями. Он же автор знаменитых слов: «Дайте мне точку опоры, и я передвину Землю!»
Рассмотрим подробнее принцип действия простейшего механизма-рычага. Пусть имеется некоторое устройство (Рис. 1). На входе устройства (точка A) подействуем на него с силой FA. При перемещении точки A на величину ΔxA мы совершаем над устройством работу ΔAвх = FAΔxA.
Рис.1. Принцип действия рычага
Если энергия устройства изменяется, то работа на выходе устройства может быть как больше, так и меньше работы на входе. При уменьшении энергии устройства оно совершает работу над внешними телами, и работа на выходе становится больше работы на входе. В этом случае механическое устройство является двигателем. Для работы двигателя необходим, как всегда, некоторый источник энергии.
Если энергия устройства увеличивается, то работа на выходе оказывается меньше, чем работа на входе. Устройство само потребляет энергию. Иногда эта энергия может запасаться в виде механической энергии. Например, можно поднимать некоторый груз (накапливать потенциальную энергию), или раскручивать некоторый маховик (накапливать кинетическую энергию). За счет накопленной энергии впоследствии устройство может совершить работу. В этом случае действие устройства аналогично аккумулятору.
Вывод: используя рычаг, выигрыша в работе не получают. Если мы выигрываем в силе, то проигрываем в пути и наоборот.
Таким образом, ни один из простых механизмов не дает выигрыша в работе. Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в расстоянии. Уже древним ученым, было, известно правило, применимое ко всем механизмам: Во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики.
Его первооткрывателем считают Герона Александрийского, которому принадлежит описание пяти типов простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Посмотрите на приведенные примеры и вспомните простые механизмы, основанные на этом правиле.
Во всех реальных механизмах, помимо всего прочего, часть механической энергии переходит в тепло в силу наличия трения между подвижными элементами.
Из этого следует, что в реальных устройствах, не являющихся двигателями, мы всегда проигрываем в работе. Золотое правило механики, таким образом, точно выполняется только в идеализированных системах.
Зачем же нужны такие устройства, которые не дают выигрыша в работе, а лишь передают энергию от одной точки к другой? Первый ответ следует из принципа действия рычага – мы можем получить выигрыш в силе. В некоторых случаях, например, механические часы, необходимо замедлить скорость на выходе.
В часах необходимо замедлить скорость движения стрелок по сравнению со скоростью движения маятника.
Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.
Редукторы могут состоять из шестерен, как в часах, а также из цепей, ремней, шкивов и т.д.
Предназначение этих устройств легче всего понять на основе редуктора велосипеда, состоящего из звездочек и цепи.
В зависимости от передаточного соотношения один оборот педалей может соответствовать разному числу оборотов колеса. При движении в гору выгодно, чтобы колесо крутилось медленнее, при этом сила человека на педали будет наименьшей. Напротив, при движении под гору выгоднее, чтобы колесо крутилось быстрее, при этом за один оборот педалей велосипед проедет большее расстояние.
В любом редукторе действует сила трения, ухудшающая его работу. Но и без этой силы многие механизмы не смогли бы функционировать.
Будет ли движение автомобиля более эффективным, если «вредная» сила трения исчезнет? Увы, в отсутствии силы трения мы получили бы обратный результат, автомобиль, подобно санкам мог бы только катиться под гору. Именно сила трения, а не мифическая «сила тяги», как иногда можно услышать, движет автомобиль. Конечно же, автомобиль движется вследствие работы двигателя. Но в отсутствие силы трения между колесами и дорогой двигатель может только заставить крутиться колеса без движения автомобиля. Именно это происходит при плохом сцеплении колес с дорогой. Сила трения здесь играет важную положительную роль и усилия многих изобретателей и инженеров направлены на то, чтобы увеличить силу трения между колесами и дорогой. Таким образом, сила трения играет важную роль при механическом движении. В некоторых случаях эта роль отрицательна и силу трения следует уменьшать, в других случаях ее нужно увеличивать.
Одной из важных прикладных задач механики является исследование устойчивости различных конструкций. Любая неподвижная конструкция находится в положении механического равновесия. Из законов механики следует, что система находится в положении равновесия, если сумма всех сил и сумма всех моментов сил, действующих на каждый из элементов конструкции, равны нулю. Различные типы равновесия тела на опоре представлены на рисунке: а) устойчивое равновесие; б) неустойчивое равновесие; в) безразличное равновесие.
Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее положение. Когда речь идет о различных сооружениях в большинстве случаев инженеров интересует именно устойчивое равновесие. Все здания, такие инженерные сооружения, как мосты, вышки должны находиться в положении устойчивого равновесия.
Законы устойчивого равновесия необходимо соблюдать при строительстве, особенно в сейсмически неустойчивых районах Земли.
Проблемы механической устойчивости оказываются связанными с проблемами экономической целесообразности.
• Механические устройства облегчают жизнь человека с древних времен.
• Сила трения играет важную роль при механическом движении. Её можно увеличивать или уменьшать для достижения необходимого эффекта.
• При проектировании различных сооружений обязательно решается задача на механическую устойчивость.
Конструкции должны находиться в состоянии устойчивого положения равновесия при изменении множества факторов, действующих в процессе эксплуатации
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. Выберите один правильный ответ. «Золотое правило» механики является:
Правильный вариант: 3.
Задание 2. Соедините попарно прямоугольники с овалами так, чтобы каждому рисунку типа равновесия соответствовало название.
Устойчивое равновесие
Неустойчивое равновесие
Безразличное равновесие