Номер 13, страница 72, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава V. Работа, мощность, энергия. Параграф 23. Простые механизмы. Рычаг - номер 13, страница 72.

Условие.

13. Расскажите о рычаге. Приведите примеры его использования в быту и в технике. Найдите в Интернете дополнительные сведения по этой теме.

Решение.

Расскажите о рычаге.

Рычаг — это один из простейших механизмов, представляющий собой твёрдое тело (например, стержень или балку), которое может вращаться вокруг неподвижной точки, называемой точкой опоры или осью вращения. Основное назначение рычага — преобразование силы, то есть получение выигрыша в силе или расстоянии.

Принцип действия рычага основан на правиле моментов, которое было сформулировано ещё Архимедом. Момент силы — это произведение модуля силы на её плечо, то есть на кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы. Рычаг находится в равновесии, если момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки. Математически это выражается формулой:

$F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$

где $F_1$ и $F_2$ — это силы, приложенные к рычагу, а $l_1$ и $l_2$ — плечи этих сил. Из этой формулы следует, что приложив меньшую силу к длинному плечу рычага, можно уравновесить большую силу, приложенную к короткому плечу. Отношение плеч $\frac{l_1}{l_2}$ определяет выигрыш в силе.

Существует три рода (класса) рычагов, различающихся взаимным расположением точки опоры (О), точки приложения силы (F) и точки приложения нагрузки (P):

1. Рычаг первого рода: точка опоры находится между точками приложения силы и нагрузки (F-O-P). Такой рычаг может давать выигрыш в силе, расстоянии или просто изменять направление силы.

2. Рычаг второго рода: точка приложения нагрузки находится между точкой опоры и точкой приложения силы (O-P-F). Такой рычаг всегда даёт выигрыш в силе.

3. Рычаг третьего рода: точка приложения силы находится между точкой опоры и точкой приложения нагрузки (O-F-P). Такой рычаг всегда даёт проигрыш в силе, но выигрыш в расстоянии и скорости.

Ответ: Рычаг — это простой механизм в виде твердого тела, вращающегося вокруг точки опоры, который позволяет получить выигрыш в силе или расстоянии за счет разницы в длине плеч. Его работа описывается правилом равновесия моментов сил: $F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$. Различают рычаги первого, второго и третьего рода.

Приведите примеры его использования в быту и в технике.

Рычаги широко распространены как в повседневной жизни, так и в сложных технических устройствах.

Примеры в быту:

• Ножницы: два рычага первого рода, соединенные в точке опоры.

• Качели-балансир на детской площадке: классический пример рычага первого рода.

• Тачка: рычаг второго рода, где ось колеса — точка опоры, груз в кузове — нагрузка, а ручки, за которые поднимает человек, — точка приложения силы.

• Открывалка для бутылок: рычаг второго рода.

• Щипцы для орехов (орехокол): два рычага второго рода.

• Пинцет, удочка, лопата: примеры рычагов третьего рода, дающих выигрыш в расстоянии.

• Дверная ручка: рычаг, позволяющий с меньшим усилием повернуть защелку замка.

Примеры в технике:

• Лом или гвоздодер: рычаг первого рода для перемещения тяжелых предметов.

• Подъемный кран: стрела крана с противовесом является большим рычагом первого рода.

• Педали и тормозные ручки в автомобиле или велосипеде: системы рычагов для передачи усилия.

• Шлагбаум: уравновешенный рычаг первого рода.

• Экскаватор: его рабочая часть (стрела, рукоять, ковш) представляет собой сложную систему рычагов, управляемых гидравликой.

• Рычажные весы: равноплечий рычаг первого рода, используемый для точного измерения массы.

Ответ: В быту рычаги встречаются в виде ножниц, качелей, тачек, открывалок для бутылок, удочек. В технике они применяются в подъемных кранах, тормозных системах, экскаваторах, весах и таких инструментах, как лом.

Найдите в Интернете дополнительные сведения по этой теме.

Исторический аспект:

Принцип действия рычага был открыт и подробно описан древнегреческим ученым Архимедом в III веке до н. э. Ему приписывают знаменитую фразу: "Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю", которая наглядно демонстрирует понимание им огромного потенциала этого простого механизма.

Рычаги в биомеханике:

Человеческое тело и тела животных являются сложнейшими системами рычагов. Кости выступают в роли рычагов, суставы — в роли точек опоры, а мышцы создают тяговое усилие. Например, предплечье человека при подъеме груза — это рычаг третьего рода (локоть — опора, бицепс прикладывает силу, а груз в кисти — нагрузка). Стопа при подъеме на носки работает как рычаг второго рода (пальцы — опора, икроножная мышца прикладывает силу к пятке, а вес тела — нагрузка). А череп, удерживаемый мышцами шеи, представляет собой рычаг первого рода.

Составные рычаги:

Для получения очень большого выигрыша в силе используют составные рычаги — системы, в которых один рычаг действует на другой. Ярким примером являются кусачки-болторезы или маникюрные щипчики. В них усилие с ручек передается через одну рычажную систему на другую, что многократно увеличивает итоговую силу на режущих кромках.

"Золотое правило" механики:

Работа рычага является иллюстрацией "золотого правила" механики: "Во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии". Это означает, что работа, совершаемая приложенной силой, равна работе по перемещению груза (без учета трения): $F_1 \cdot s_1 = F_2 \cdot s_2$, где $s_1$ и $s_2$ — это расстояния, которые проходят точки приложения сил. Таким образом, рычаг не создает энергию, а лишь преобразует силу.

Ответ: Дополнительные сведения о рычаге включают его историческое описание Архимедом, фундаментальную роль в биомеханике (кости и суставы человека), существование составных рычагов для многократного увеличения силы (например, болторезы) и подчинение "золотому правилу" механики, которое гласит, что выигрыш в силе неизбежно ведет к проигрышу в расстоянии.