Номер 2, страница 119 - гдз по физике 7 класс учебник Громов, Родина

Глава 4. Работа, мощность, энергия. Параграф 32. Рычаг. Темы докладов - номер 2, страница 119.

Условие.

Решение.

Простые механизмы — это устройства, позволяющие преобразовывать силу, то есть изменять её модуль или направление, для совершения работы. Они дают выигрыш в силе, проигрывая в расстоянии, или наоборот, в соответствии с «золотым правилом механики». Использование этих механизмов началось в глубокой древности и продолжается по сей день, составляя основу практически всех современных сложных машин и устройств.

Классификация простых механизмов

Традиционно выделяют шесть классических простых механизмов, которые были определены ещё учёными эпохи Возрождения:
Рычаг — твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.
Ворот (Колесо и ось) — колесо, жёстко соединённое с осью (или валом), которые вращаются вместе.
Блок — колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси, через которое перекинута верёвка, канат или цепь.
Наклонная плоскость — плоская поверхность, установленная под углом к горизонтали.
Клин — разновидность наклонной плоскости; тело, имеющее две наклонные плоскости, сходящиеся под острым углом.
Винт — стержень с винтовой нарезкой; по сути, это наклонная плоскость, «обёрнутая» вокруг цилиндра.

История: от древности до наших дней

Древний мир. Простейшие механизмы, такие как рычаг, наклонная плоскость и клин, использовались человеком с доисторических времён. Например, при строительстве египетских пирамид и мегалитических сооружений (Стоунхендж) активно применялись пандусы (наклонные плоскости) и рычаги для перемещения и установки огромных каменных блоков. Изобретение колеса и оси (около 3500 г. до н.э. в Месопотамии) произвело революцию в транспорте и ремёслах.

Первые теоретические исследования простых механизмов принадлежат древнегреческому учёному Архимеду (III век до н.э.). Он детально изучил рычаг, блок и винт. Ему приписывают знаменитую фразу: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». Архимед показал, как с помощью систем блоков (полиспастов) можно поднимать огромные тяжести, прилагая малую силу.

Эпоха Возрождения и Новое время. Учёные эпохи Возрождения, такие как Леонардо да Винчи, систематизировали знания о механизмах. Галилео Галилей в своей работе «О механике» (около 1600 г.) впервые сформулировал «золотое правило механики», показав, что простые механизмы не создают энергию, а лишь преобразуют её. Он доказал, что выигрыш в силе неизбежно ведёт к проигрышу в расстоянии.

Наши дни. Принципы простых механизмов лежат в основе всех современных сложных устройств. Открывалка для бутылок, ножницы, гаечный ключ — это рычаги. Дверная ручка, руль автомобиля — примеры ворота. Лифты, краны, жалюзи используют системы блоков. Пандусы, эскалаторы — наклонные плоскости. Ножи, топоры, гвозди — клинья. Болты, домкраты, мясорубки — винты. Даже в биомеханике человеческого тела суставы и кости работают как системы рычагов.

Физический принцип работы

Основной принцип работы любого простого механизма — это закон сохранения энергии. В идеальном механизме (без учёта трения) совершаемая работа ($A_{затр}$) равна полезной работе ($A_{полез}$). Работа вычисляется как произведение силы на перемещение: $A = F \cdot s$.

Отсюда следует «золотое правило механики»: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии.

$A_{затр} = A_{полез}$
$F_{вх} \cdot s_{вх} = F_{вых} \cdot s_{вых}$

Где $F_{вх}$ — приложенная сила, $s_{вх}$ — путь, пройденный точкой приложения этой силы, $F_{вых}$ — сила, действующая на груз, а $s_{вых}$ — расстояние, на которое перемещается груз.

Выигрыш в силе, или механическое преимущество, определяется отношением $k = F_{вых} / F_{вх}$. Из «золотого правила» следует, что $k = s_{вх} / s_{вых}$.

Например, для рычага условие равновесия записывается как равенство моментов сил:
$M_1 = M_2$
$F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$
Где $F_1$ и $F_2$ — силы, приложенные к плечам рычага, а $l_1$ и $l_2$ — длины этих плеч (расстояния от точки опоры до точек приложения сил). Изменяя соотношение длин плеч, можно получить значительный выигрыш в силе.

В реальных условиях часть затраченной работы идёт на преодоление силы трения, поэтому полезная работа всегда меньше затраченной. Эффективность механизма характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД): $\eta = (A_{полез} / A_{затр}) \cdot 100\%$.

Ответ:
Простые механизмы — это фундаментальные устройства (рычаг, блок, ворот, наклонная плоскость, клин, винт), которые позволяют изменять величину или направление силы. Известные с глубокой древности, они были теоретически описаны Архимедом и другими учёными и лежат в основе работы практически всех современных машин и инструментов, от кухонной утвари до сложных промышленных станков. Их действие подчиняется «золотому правилу механики»: выигрыш в силе достигается за счёт пропорционального проигрыша в расстоянии, что является следствием закона сохранения энергии.