Номер 33, страница 84, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава V. Работа, мощность, энергия. Параграф 24. Блоки. Наклонная плоскость - номер 33, страница 84.

Условие.

33. Конструирование систем блоков и исследование условия равновесия блока

Нарисуйте в тетради схемы систем блоков, с помощью которых можно удержать в равновесии груз массой $400\text{ г}$, прикладывая к свободному концу верёвки силу: а) $4\text{ Н}$; б) $2\text{ Н}$.

Соберите экспериментальные установки по своим рисункам. С помощью динамометра измерьте силу, прикладываемую в каждом случае к свободному концу верёвки для удержания груза в равновесии.

Сделайте выводы и запишите их.

Решение.

Дано:

$m = 400 \text{ г}$

$F_a = 4 \text{ Н}$

$F_b = 2 \text{ Н}$

Примем ускорение свободного падения $g \approx 10 \text{ Н/кг}$.

Перевод в систему СИ:
$m = 400 \text{ г} = 0.4 \text{ кг}$

Найти:

Схемы систем блоков для удержания груза с силами $F_a$ и $F_b$.

Решение:

Сначала найдем вес груза $\text{P}$, который необходимо уравновесить. Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие гравитационного притяжения. Он равен силе тяжести, действующей на груз:

$P = m \cdot g = 0.4 \text{ кг} \cdot 10 \text{ Н/кг} = 4 \text{ Н}$.

Теперь рассмотрим каждый случай отдельно.

а)

Требуется удержать груз, прикладывая силу $F_a = 4 \text{ Н}$.

Сравним силу, которую нужно приложить, с весом груза:

$F_a = 4 \text{ Н}$

$P = 4 \text{ Н}$

Поскольку $F_a = P$, выигрыша в силе нет. Система, которая не дает выигрыша в силе, а лишь меняет направление ее приложения, — это неподвижный блок. Веревка перекидывается через блок, закрепленный на опоре. К одному концу веревки подвешен груз, а к другому прикладывается сила.

Схема:

Ответ: Для удержания груза с силой 4 Н необходимо использовать один неподвижный блок.

б)

Требуется удержать груз, прикладывая силу $F_b = 2 \text{ Н}$.

Найдем, какой выигрыш в силе дает эта система. Выигрыш в силе — это отношение веса груза к прикладываемой силе:

$k = \frac{P}{F_b} = \frac{4 \text{ Н}}{2 \text{ Н}} = 2$

Система, которая дает двукратный выигрыш в силе (в идеальном случае, без учета трения и веса блока), — это подвижный блок. В этой системе груз крепится к оси блока, а сам блок перемещается вместе с грузом. Один конец веревки закреплен неподвижно, а сила прикладывается к другому концу. Вес груза распределяется на два участка веревки.

Схема:

Ответ: Для удержания груза с силой 2 Н необходимо использовать один подвижный блок.

Экспериментальная проверка и выводы:

При сборке реальных установок и измерении силы динамометром, результаты могут незначительно отличаться от теоретических расчетов:

1. Для неподвижного блока измеренная сила будет немного больше 4 Н.

2. Для подвижного блока измеренная сила будет немного больше 2 Н.

Это связано с тем, что в реальных условиях существуют дополнительные факторы: сила трения в осях блоков и вес самих блоков и веревки (особенно важен вес подвижного блока, так как он добавляется к весу груза).

Выводы:

1. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе ($F \approx P$), он только изменяет направление действия силы, что бывает удобно на практике.

2. Подвижный блок дает выигрыш в силе примерно в 2 раза ($F \approx P/2$), так как вес груза распределяется между двумя участками веревки.

3. В реальных механизмах из-за наличия трения и веса самих частей механизма прикладываемая сила для удержания груза всегда несколько больше, чем в идеальной теоретической модели.