Определение подвижного блока, свойства, формула для нахождения
В физике механическое приспособление в виде колеса с желобом называется блоком. Этот простой механизм вращается вокруг своей оси, а углубление в нем предназначено для троса, который подцепляется к грузу. Основное назначение устройства — облегчение подъема и экономия силы.
Различают два вида блоков: подвижный и неподвижный. Первый перемещается вместе с грузом. Второй остается на месте, но позволяет менять направление движения.
Блоки использовали еще в Древней Греции. Архимед видел сходство между блоком и рычагом. Неподвижный блок он соотносил с равноплечим рычагом, а подвижный с неравноплечим.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Примечание
По легенде, Архимед использовал подвижный блок для спуска огромного корабля на воду.
Преимущество подвижного блока
При использовании этого блока происходит двукратный выигрыш в силе. Ось его не зафиксирована, а движется вместе с грузом, который прикрепляется к центру устройства. Согласно правилу, момент силы — это произведение силы и плеча веса:
M=F × l
Экономия происходит вследствие того, что плечо веса (F1) и плечо силы тяги (F2) неравнозначны. Первое равно радиусу блока, а второе — его диаметру.
Расчет силы
Сила, с которой нужно воздействовать на подвижный блок, рассчитывается по формуле:
(F = frac{P}{2} )
Но в этой формулировке не учитывается такая величина, как сила трения, затрудняющая движение груза. Поэтому уравнение соответствует идеальному блоку.
Для определения работы блока в реальных условиях в выражение добавляют коэффициент трения.
Где применяется
Подвижный блок облегчает подъем груза, поэтому прежде всего этот механизм стали применять в работе с тяжелыми грузами: в строительстве, разгрузочных работах, спуске на воду тяжелых судов.
Устройство помогает работать канатным дорогам, лодочным лебедкам и буровым установкам. Французские шторы — жалюзи — работают по схеме подвижного блока.
В некоторых машинах задействуют системы сочетания блоков, например, в грузоподъемной технике используют полиспаст — обойму из подвижных и неподвижных блоков.
Примеры расчета
Задача1
Определите вес груза, который поднимают с помощью подвижного блока, если известно, что веревку тянут с силой 150Н.
Решение
Так как подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза, то рассчитать вес нужно по формуле:
(P=F×2=150×2=300Н)
Задача 2
С какой силой нужно тянуть груз весом 50Н с помощью подвижного блока?
Решение
(F=P/2=50/2=25H)
Насколько полезной была для вас статья?
Рейтинг: 4.17 (Голосов: 6)
Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»
Текст с ошибкой:
Расскажите, что не так
Поиск по содержимому
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.
Блоки в физике — виды, формулы и определения с примерами
Содержание:
Блоки:
Всегда ли удобно использовать рычаг
Поднять груз на значительную высоту с помощью рычага очень сложно. Чем высота больше, тем длиннее должен быть рычаг. Такого недостатка нет у блока.
Что такое блок
Блок — это устройство, состоящее из веревки, переброшенной через колесо, которое может вращаться на оси.
Обод колеса, как правило, имеет желоб, в котором прокладывается трос или веревка.
Ось блока может быть неподвижной или перемещаться вместе с колесом. В связи с этим блоки бывают подвижными и неподвижными.
Какой блок называют неподвижным
У неподвижного блока ось вращения не изменяет своего положения в пространстве. Она с помощью специальной обоймы закреплена на балке или на другой опоре (рис. 70). Если на конец веревки, переброшенной через блок, подействовать силой, то другой конец начнет двигаться вверх. Если к этому концу прикрепить груз определенной массы, то он будет подниматься вверх. Если на свободный конец веревки действует сила, направленная вниз, то на груз действует сила, направленная вверх. Измерение этих сил показывает, что они равны.
Почему неподвижный блок не дает выигрыша в силе
Неподвижный блок выигрыша в силе не дает, он только изменяет направление действия силы.
Такую особенность можно легко объяснить, учитывая, что неподвижный блок похож на равноплечий рычаг. Для этого перенесем точки действия сил вверх к точкам А к В, где веревка касается блока (рис. 71). Плечи этих сил OA и ОВ будут одинаковыми, как радиусы окружности. Согласно условию равновесия рычага силы F1 и F2 также должны быть одинаковыми. Опыт подтверждает эти выводы.
- Заказать решение задач по физике
Какой блок называют подвижным
Подвижным называют блок, ось которого перемещается в пространстве. При использовании такого блока обычно один конец веревки или троса закрепляют на опоре, а груз — на обойме, в которой блок закреплен. На рисунке 72 показан опыт с таким блоком. К оси легкого подвижного блока подвешен груз массой 102 г. Итак, на ось блока действует сила 1 Н. Стрелка динамометра, присоединенного к свободному концу веревки, показывает примерно 0,5 Н. Некоторые небольшие различия связаны с тем, что блок сам имеет вес и на него действует сила трения.
Почему подвижный блок дает выигрыш в силе
Такую особенность подвижного блока можно объяснить, учитывая свойства рычага (рис. 73). Диск блока можно считать рычагом длиной 2R (где R — радиус колеса). Ось вращения такого рычага проходит через точку А на ободе колеса, а точками приложения сил являются точки О и В. Так как 
то 
Описанные выше свойства блоков используют во время решения практических задач.
Пример решения задачи
Определить вес груза, который удерживается системой подвижного и неподвижного блоков, если на свободный конец троса действует сила 300 Н (рис. 74).
Дано:
Решение
Неподвижный блок выигрыша в силе не дает. Поэтому вычисления производим с учетом только подвижного блока, который дает выигрыш в силе в два раза. О массе блока в условии задачи не сказано, поэтому весом блока можно пренебречь по сравнению с весом груза. Таким образом,
Ответ. Вес груза равен 600 Н.
- Движение тела под действием нескольких сил
- Наклонная плоскость в физике
- Давление газов и жидкостей
- Движение жидкостей и газов
- Сила давления в физике и единицы давления
- Механическое давление в физике
- Столкновения в физике
- Рычаг в физике
Библиографическое описание:
Шумейко, А. В. Силы, действующие в простом механизме блок / А. В. Шумейко, О. Г. Веташенко. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2020. — № 2 (32). — С. 38-42. — URL: https://moluch.ru/young/archive/32/1875/ (дата обращения: 29.05.2023).
В учебниках физики для 7 класса при изложении материала о подъёме груза простым механизмом блок авторы учебников рассматривают разное количество сил, действующих на блок или трос. Для выяснения, что за силы и на какие предметы они действуют в простом механизме блок при подъёме груза, и написана эта статья.
Ключевые слова:
неподвижный блок, подвижный блок, сила упругости троса, сила трения.
В учебнике физики для 7 класса автора А. В. Пёрышкина на рис.177 нарисован подъём груза простым механизмом неподвижный блок и на рис.178 силы
F
1
и
F
2
действуют на блок в точках
А
и
В
, а в учебнике О. Ф. Кабардина на рис.22.3 нарисован неподвижный блок, с тросом и сила
F
действует на трос, а сила тяжести
mg
действует на груз.
То же самое происходит и в изложении материала о подвижном блоке: в учебнике А. В. Пёрышкина рис.179, на блок действуют две силы
Р
и
F
рис.180, а в учебнике О. Ф. Кабардина на том же самом подвижном блоке три силы: сила тяжести
mg
на грузе и две силы
F
натяжения троса рис.22.4.
Выяснение сил, действующих в простом механизме блок, начнём с неподвижного блока, изображенного на рис.1. Груз висит на одном из концов троса, далее трос огибает верхнюю полуокружность блока и за второй конец троса происходит подъём груза. На груз действует сила притяжения Земли
F
тяж г
, которая направлена вертикально вниз. Под действием силы тяжести груза в тросу возникает сила упругости
F
упр т
, направленная по тросу и одинаковая по всей длине троса рис.2.
Рис.1. Рис.2. Рис.3. Рис.4.
На рис.3 трос огибает верхнюю полуокружность блока и по всей длине этой полуокружности действуют силы тяжести: груза и троса, а также сила необходимая для подъёма груза. При сложении всех этих параллельных сил равнодействующая сила тяжести
F
тяж б
приложена к центру блока и направлена вертикально вниз, одновременно создавая силу упругости обоймы блока
F
упр б
,
направленную по обойме блока вверх. На рис.4, при подъёме груза, трос движется по верхней полуокружности вращая блок и создавая силу трения скольжения
F
тр
между тросом и блоком.
На рис.5 для определения силы, необходимой для поднятия груза, уберём силу тяжести блока
F
тяж б
и силу упругости блока
F
упр б
, так как они не влияют на величину силы поднятия груза
.
Остались три силы: сила тяжести груза
F
тяж г
, сила упругости троса
F
упр т
и сила трения
F
тр
. Вспомним, что в покое или при равномерном подъёме сила упругости троса равна силе тяжести груза
F
упр т
=
F
тяж г
, а сила трения
F
тр
препятствует подъёму. Поэтому для равномерного подъёма груза необходима сила
F
п,
равная сумме сил упругости троса и силы трения
F
п
=
F
упр т
+
F
тр
. Это равенство справедливо для поднятия груза
полной силой
, а на рис.142 в Элементарном учебнике физики под редакцией академика Л. Г. Ландсберга маляры и альпинисты поднимают себя
половинной силой
.
Рис. 5.Рис. 142Рис. 6Рис. 7
На рис.142 человек сидит на сидении, которое прикреплено к тросу, огибающему верхнюю часть неподвижного блока, за второй конец троса человек руками поднимает себя. На рис.6 нарисуем действующие силы подъёма человека. Земля притягивает человека, поэтому на сидение действует половина веса тела человека
Р
ч,
вторая половина веса приходится на руки, которые производят подъём человека. Под действием деления веса человека в тросу возникают силы упругости
F
упр
1
и
F
упр
2
, каждая из которых будет в 2 раза меньше веса человека
F
упр
=
Р
ч.
Наглядно это можно представить как на рис.7, груз поднимают за два независимых троса, и вес груза разделится между тросами, и сила упругости каждого троса будет в два раза меньше веса груза.
F
упр
=
Р
г
.
Подведём итог по силам, действующим на неподвижном блоке:
-
Сила необходимая для подъёма груза на неподвижном блоке равна сумме силы упругости троса и силе трения
F
п
=
F
упр
+
F
тр
.
-
Величина силы упругости троса зависит от способа крепления поднимаемого груза. Если груз закреплён за один из концов троса (за одну ветвь троса) то сила упругости равна весу груза
F
упр
= Р
г
, а если груз закреплён за оба конца троса (за две ветви троса) то сила упругости равна половине веса груза
F
упр
=
Р
г
. Выигрыш в
силе в 2 раза при подъёме груза
половинной силой
с
помощью неподвижного блока даёт трос, а
не неподвижный блок.
-
На рис.178 неподвижный блок нельзя рассматривать как равноплечий рычаг из-за того, что при изменении направления действия силы
F
2
меняется длина рычага
ОВ
на рис.8 (видоизменённом рис.178).
Рис. 178.Рис. 8.
Рассмотрим силы, действующие на подвижный блок рис.9. Груз висит на подвижном блоке, который своей нижней полуокружностью висит на тросу, один конец этого троса закреплён, а подъём подвижного блока с грузом происходит за второй конец троса. На рис.10 обозначим действующие силы на подвижный блок: Земля притягивает груз висящий на подвижном блоке и поэтому в центре подвижного блока действует сила веса груза
Р
г,
а на концах троса силы упругости
F
упр
1
и
F
упр
2
, каждая из которых в 2 раза меньше веса груза из-за того, что вес груза распределился поровну между концами (ветвями) троса, как будто груз висит на двух отдельных тросах рис.11.
Рис. 9.Рис.10.Рис.11.Рис.12.
При подъёме груза блок будет вращаться и создавать силу трения скольжения между подвижным блоком и тросом рис.12, из которого видно, что поднимая груз за один конец троса мы прикладываем силу упругости (которая в 2 раза меньше веса груза) и силу трения
F
п
=
F
упр
2 +
F
тр
. Выигрыш в
силе в 2 раза даёт трос, а
не подвижный блок
и это можно проверить с помощью рис.181 из учебника А. В. Пёрышкина, на котором нарисован неподвижный блок, который не даёт выигрыша в силе и подвижный блок — дающий выигрыш в силе в 2 раза.
Общий выигрыш в
силе этой
комбинации блоков при подъёме груза 2 раза.
Рис.181. Выигрыш в силе 2 разаРис.13 (изменённый рис.181). Выигрыш в силе 3 раза.
Если в этот рисунок добавить еще один неподвижный блок (не дающий выигрыш в силе) и закрепить конец троса за груз рис.13 (изменённый рис.181),
то выигрыш в
силе данной комбинации блоков при подъёме груза будет равен трем, потому что вес груза разделится на три части, так как висит на трёх частях (ветвях) троса.
Отсюда следует, что доказательство в учебнике А. В. Пёрышкина о том, что неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, а подвижный блок даёт выигрыш в силе является ошибочным, так как
выигрыш в
силе при подъёме груза на простом механизме блок даёт сила упругости троса (верёвки, цепи), а
модуль выигрыша равен количеству частей (ветвей) троса, на которых висит груз, так как вес груза делится на их количество.
Литература:
- Кабардин О. Ф. Физика. 7 класс: учеб. для общеобразоват. организаций /О. Ф. Кабардин, — 6-е изд. — М.: Просвещение, 2018, — 174 с.: ил. — ISBN 978–5–09–060739–1.
- Ландсберг Г. С.(ред). Элементарный учебник физики, том 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. М. Наука 1985 г.
- Пёрышкин А. В. Физика 7 кл.; учебник / А. В. Пёрышкин, — 9-е изд., пер. — М.: Дрофа, 2019, — 224 с.: ил. ISВN 978–5–358–09796–4.
Основные термины (генерируются автоматически): неподвижный блок, подъем груза, сила, вес груза, трос, конец троса, подвижной блок, подвижный блок, сила трения, сила упругости.
Задачи на простые механизмы с решениями
Формулы, используемые на уроках «Задачи на простые механизмы,
условия равновесия рычага, блоки, золотое правило механики».
Название величины |
Обозначение |
Единица измерения |
Формула |
Сила |
F |
Н |
F1l1 = F2l2 |
Плечо силы |
l |
м |
|
Момент силы |
M |
Нм |
M = Fl |
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1.
С помощью рычага рабочий поднимает плиту массой 120 кг. Какую силу он прикладывает к большему плечу рычага, равному 2,4 м, если меньшее плечо 0,8 м?
Задача № 2.
На концах рычага действуют силы 20 Н и 120 Н. Расстояние от точки опоры до большей силы равно 2 см. Определите длину рычага, если рычаг находится в равновесии.
Задача № 3.
На рисунке изображен рычаг, имеющий ось вращения в точке О. Груз какой массы надо подвесить в точке В для того, чтобы рычаг был в равновесии?
Задача № 4.
На меньшее плечо рычага действует сила 300 Н, на большее — 20 Н. Длина меньшего плеча 5 см. Определите длину большего плеча.
Задача № 5.
Рычаг длиной 60 см находится в равновесии. Какая сила приложена в точке В?
Задача № 6.
Момент силы действующей на рычаг, равен 20 Н*м. Найти плечо силы 5 Н, если рычаг находится в равновесии.
Задача № 7.
Какое усилие необходимо приложить, чтобы поднять груз 1000 Н с помощью подвижного блока? Какая совершится работа при подъеме груза на 1 м? (Вес блока и трение не учитывать).
Задача № 8.
Система блоков находится в равновесии. Определите вес правого груза. (Вес блоков и силу трения не учитывать).
Задача № 9.
При помощи подвижного блока поднимают груз, прилагая силу 105 Н. Определите силу трения, если вес блока равен 20 Н, а вес груза 180 Н.
Задача № 10.
ОГЭ
Стержень цилиндрической формы длиной l = 40 см состоит на половину своей длины из свинца и наполовину — из железа. Найти расстояние от центра тяжести до центра симметрии стержня. Плотность свинца p1 = 11,4 г/см3, плотность железа p2 = 7,8 г/см3.
Решение. Центр тяжести тела (центр масс) — точка приложения силы притяжения его к земле — веса тела P. У тел, имеющих какую-либо симметрию, он совпадает с центром симметрии. Например, у однородного цилиндра центр тяжести расположен на его оси в центре цилиндра. Тело, закреплённое на оси, проходящей через его центр тяжести, находится в состоянии безразличного равновесия. Мысленно закрепим стержень AB на оси, перпендикулярной стержню и проходящей через его центр тяжести C, отстоящий от его геометрического центра O на расстояние x в сторону более тяжёлой половины стержня. Центры инерций половинок размещены на расстояниях l/4 от середины стержня.
х = (11,4–7,8)/(11,4+7,8) • 0,4/4 = 0,01875 ≈ 0,019 (м)
Ответ: 1,9 см.
Задача № 11.
ЕГЭ
Масса якоря корабля m = 50 кг. Радиус барабана, на который наматывают якорную цепь, R = 0,2 м, длина каждой из двух ручек ворота l = 1 м. Какую силу нужно приложить к каждой из них, чтобы поднять якорь?
Краткая теория для решения задачи на простые механизмы.
Конспект урока «Задачи на простые механизмы с решениями».
Следующая тема: «Задачи на КПД простых механизмов».
Применение подвижного блока даёт двукратный выигрыш в силе, применение неподвижного — позволяет изменить направление прилагаемой силы. На практике используются комбинации подвижных и неподвижных блоков. При этом каждый подвижный блок позволяет вдвое уменьшить прилагаемое усилие или вдвое увеличить скорость перемещения груза. Неподвижные блоки используют для связи подвижных блоков в единую систему. Такая система подвижных и неподвижных блоков называется полиспаст.
Используется полиспаст в случаях, если необходимо прилагая минимальные усилия поднять или переместить тяжелый груз, обеспечить натяжение и т.п. Простейший полиспаст состоит всего из одного блока и каната, при этом позволяет в два раза снизить тяговое усилие, необходимое для подъема груза.
Рисунок 1. Каждый подвижный блок в полиспасте даёт двукратный выигрыш в силе или скорости
Обычно в грузоподъемных механизмах применяют силовые полиспасты, позволяющие уменьшить натяжение каната, момент от веса груза на барабане и передаточное число механизма (тали, лебедки). Скоростные полиспасты, позволяющие получить выигрыш в скорости перемещения груза при малых скоростях приводного элемента, применяются значительно реже. Они используются в гидравлических или пневматических подъемниках, погрузчиках, механизмах выдвижения телескопических стрел кранов.
Основной характеристикой полиспаста является кратность. Это отношение числа ветвей гибкого органа, на котором подвешен груз, к числу ветвей наматываемых на барабан (для силовых полиспастов), либо отношение скорости ведущего конца гибкого органа к ведомому (для скоростных полиспастов). Условно говоря, кратность это теоретически рассчитанный коэффициент выигрыша в силе или скорости при использовании полиспаста. Изменение кратности полиспаста происходит путем введения или удаления из системы дополнительных блоков, при этом конец каната при четной кратности крепится на неподвижном элементе конструкции, а при нечетной кратности — на крюковой обойме.
Рисунок 2. Крепление каната при чётной и нечётной кратности полиспаста
Выигрыш в силе при применении полиспаста с $n$ подвижных и $n$ неподвижных блоков определяется по формуле: $P=2Fn$, где $Р$ — вес груза, $F$ — сила, прилагаемая на входе полиспаста, $n$ — число подвижных блоков.
В зависимости от количества ветвей каната, закрепленных на барабане грузоподъемного механизма, можно выделить одинарные (простые) и сдвоенные полиспасты. В одинарных полиспастах, при наматывании или сматывании гибкого элемента вследствие его перемещения вдоль оси барабана, создается нежелательное изменение нагрузки на опоры барабана. Также в случае отсутствия в системе свободных блоков (канат с блока крюковой подвески непосредственно переходит на барабан) происходит перемещение груза не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости.
Рисунок 3. Одинарные и сдвоенные полиспасты
Для обеспечения строго вертикального подъема груза применяют сдвоенные полиспасты, (состоящие из двух одинарных), в этом случае на барабане закрепляются оба конца каната. Для обеспечения нормального положения крюковой подвески при неравномерной вытяжке гибкого элемента обоих полиспастов применяют балансир или уравнительные блоки.
Рисунок 4. Способы обеспечения вертикальности подъёма груза
Скоростные полиспасты отличаются от силовых тем, что в них рабочая сила, обычно развиваемая гидравлическим или пневматическим цилиндром, прикладывается к подвижной обойме, а груз подвешивается к свободному концу каната или цепи. Выигрыш в скорости при использовании такого полиспаста получается в результате увеличения высоты подъёма груза.
При использовании полиспастов следует учитывать, что используемые в системе элементы не являются абсолютно гибкими телами, а имеют определенную жесткость, поэтому набегающая ветвь не сразу ложится в ручей блока, а сбегающая ветвь не сразу выпрямляется. Это наиболее заметно при использовании стальных канатов.
Вопрос: почему у подъемных строительных кранов крюк, который переносит груз, закреплен не на конце троса, а на обойме подвижного блока?
Ответ: для обеспечения вертикальности подъёма груза.